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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur optischen Datenkommunikation nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Für die drahtlose Kommunikation wird in den meisten Fällen Funk eingesetzt. Aus verschiedenen Gründen, wie Kosten, Verfügbarkeit von Frequenzbändern oder diversen Störfaktoren, ist aber eine Funkkommunikation nicht immer möglich. Die optische Datenübertragung andererseits wird hauptsächlich innerhalb von Glasfasern genutzt. Es ist aber auch eine optische Freiraumkommunikation bekannt, bei der Daten mittels modulierten Lichts von einem Punkt zu einem anderen Punkt übertragen werden. Im industriellen Umfeld wird diese Technik beispielsweise zur Kommunikation mit autonom bewegten Einheiten eingesetzt.
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Dabei sind mit dem Lichtstrahl Distanzen von bis zu einigen hundert Metern zu überbrücken. Das führt zu einer hohen Dynamik des optischen Signals. Im Nahbereich wird nahezu alle ausgesandte optische Leistung von der Gegenstelle empfangen. Deshalb müssen Maßnahmen getroffen werden, um eine Übersteuerung der Empfangselektronik zu verhindern. Umgekehrt gib es auch einen minimalen Empfangspegel, bei dem trotz des Rauschens eine fehlerfreie Datenübertragung gerade noch gewährleistet ist. Dieser minimale Empfangspegel beschränkt die maximale Reichweite der Datenübertragung, da die optische Empfangsleistung mit zunehmender Entfernung absinkt.
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Die zulässigen Abstände oder Verfahrstrecken der optischen Freiraum-Datenkommunikation werden deshalb von der maximal möglichen Dynamik der Empfangselektronik begrenzt. Hochdynamische Empfangs- und Verstärkerbauteile wiederum treiben die Herstellkosten. Außerdem müssen Chargenstreuungen der Elektronik, Güte der sendeseitigen und empfangsseitigen optischen Strahlformung und deren Justageprozess sehr gut beherrscht werden, um Fehler bei der Datenkommunikation sowohl im Nah- wie im Fernbereich zu vermeiden.
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Die
EP 1 233 283 A2 offenbart eine optoelektronische Vorrichtung mit zwei in Abstand zueinander angeordneten Sensoreinheiten, die zwischen einander eine optische Übertragungsstrecke bilden. Um die beiden Sensoreinheiten aufeinander auszurichten, ist ein Justagebetrieb vorgesehen, in dem der einen Sensoreinheit von ihrem Gegenüber anstelle von Nutzdaten die auf den Empfänger auftreffende Lichtmenge kommuniziert wird. Diese übermittelte Empfangslichtmenge wird als direktes Maß für die Güte der Ausrichtung visualisiert. Dieses Vorgehen kann für ein anfängliches Ausrichten genutzt werden, löst aber nicht das beschriebene Dynamikproblem. Während des Betriebs wird die Empfangslichtmenge bereits gar nicht mehr bestimmt, und um sie zu übermitteln, müsste die Nutzdatenübertragung unterbrochen werden. Vor allem setzt die Rückmeldung über die Empfangslichtmenge einen stabilen Nutzdatenkanal voraus, so dass dieser Weg, das Dynamikproblem zu lösen, in einen unauflösbaren Zirkel führen würde.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine stabile optische Freiraum-Datenübertragung über einen großen Abstandbereich zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Vorrichtung zur optischen Datenkommunikation nach Anspruch 1 gelöst. Zwei Sensoreinheiten kommunizieren auf einer optischen Übertragungsstrecke durch Modulation und Demodulation eines übertragenen Lichtsignals gemäß einem Kommunikationsprotokoll. Die Erfindung geht dann von dem Grundgedanken aus, das Lichtsignal mit einem zusätzlichen Signal zu modulieren, um dadurch einen zusätzlichen Übertragungskanal zu gewinnen. Anders als der Hauptkanal, auf dem die Nutzerdaten nach dem Kommunikationsprotokoll übertragen werden, liegt der Zusatzkanal vorzugsweise außerhalb des Kommunikationsprotokolls und basiert auf einer sehr einfachen und damit robusten Modulation außerhalb des Signalspektrums des Hauptkanals. Selbst wenn beispielsweise durch Übersteuerung aufgrund zu starker Empfangspegel bei kurzen Übertragungsstrecken oder durch zu schwache Empfangspegel bei langen Übertragungsstrecken die Kommunikation im Hauptkanal bereits gestört oder gar zusammengebrochen ist, erkennt die Vorrichtung weiterhin die einfache Modulation in dem Zusatzkanal.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein zusätzlicher und insbesondere unabhängiger Datenaustausch zwischen den Sensoreinheiten ermöglicht wird. Die einleitend genannten Probleme können mit geringem Aufwand und Standardbauteilen gelöst werden, teure Bausteine mit großem Dynamikbereich sind verzichtbar. Der Zusatzkanal beeinträchtigt die Datenübertragung auf dem Hauptkanal nicht.
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Der zusätzliche Übertragungskanal hat bevorzugt eine Bandbreite von wenigen Bit, insbesondere nur einem Bit. Das ermöglicht eine besonders robuste Modulation, die zugleich die Datenübertragung im Hauptkanal nicht stört. Auch mit nur einem Bit lässt sich eine wichtige Steuerungsinformation übertragen, um die Nutzdatenverbindung zu etablieren oder zu stabilisieren. Prinzipiell sind aber alle gängigen Modulationsverfahren zur Etablierung des Zusatzkanals denkbar.
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Das zusätzliche Signal ist vorzugsweise ein Sinussignal fester Frequenz, insbesondere wenn nur ein Bit übertragen werden soll. Es genügt dann empfangsseitig zu erkennen, ob das Empfangssignal diese Frequenz enthält oder nicht. Die feste Frequenz liegt vorzugsweise in einem Band, das der Hauptkanal nicht benötigt und das die Kommunikation im Hauptkanal nicht stört. Wegen der Unabhängigkeit von Hauptkanal und Zusatzkanal und dem niedrigen Spektralbereich beziehungsweise der kleinen Bandbreite ist der Zusatzkanal auch bei hoher Dynamik und kleinen Empfangspegeln extrem robust. Das gilt weitestgehend auch noch bei einer einfachen Überlagerung einiger weniger Frequenzen zur gleichzeitigen Übertragung mehrerer Bits auf dem Zusatzkanal.
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Das zusätzliche Signal zeigt bevorzugt an, mit welcher Intensität das Lichtsignal empfangen wird. Die eine Sensoreinheit erfährt auf diesem Wege auf dem Zusatzkanal, wie viel von ihrem Signal bei der anderen Sensoreinheit ankommt, und kann darauf mit einer Anpassung der Sendeleistung reagieren. Hiermit kann die Dynamik beherrscht und so der Hauptkanal stabilisiert werden. Bereits mit nur einem Bit kann angezeigt werden, ob der Empfangspegel über einer definierten Schwelle liegt beziehungsweise ob sich die beiden Sensoreinheiten in einem Abstand befinden, der dem Nah- oder dem Fernbereich entspricht. Diese Information kann genutzt werden, um das Sendesignal mittels eines Zweipunktreglers auf das Empfangssignal der Gegenstelle zu regeln. Mit zusätzlicher Information, die über ein Bit hinausgeht, kann der Empfangspegel entsprechend genauer übertragen und so auch eine dynamischere und komplexere Regelung der Empfangsleistung der Gegenstelle vorgenommen werden.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in Abhängigkeit des zusätzlichen Signals eine Leistungsanpassung für das ausgesandte Signal vorzunehmen. Erfährt also die Sensoreinheit über den Zusatzkanal, dass beim Gegenüber das Lichtsignal zu schwach oder zu stark ankommt, so wird das eigene Sendesignal entsprechend verstärkt oder abgeschwächt. Das ermöglicht eine optische Leistungsregelung parallel zu der Nutzdatenkommunikation auf dem Hauptkanal, um den Dynamikbereich zu erweitern. Sowohl eine Übersteuerung als auch ein Abfallen unter einen für eine zuverlässige Kommunikation erforderlichen Mindestpegel werden verhindert. Das verbessert die Reichweite sowohl in Richtung kürzerer wie längerer Abstände zwischen den beiden Sensoreinheiten.
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Der zusätzliche Übertragungskanal ist bevorzugt bidirektional. Damit sind beide Auswertungseinheiten in der Lage, die Modulation des zusätzlichen Signals aufzuprägen beziehungsweise zu erkennen. Das kann dafür genutzt werden, dass sich die Sensoreinheiten gegenseitig über ihren Empfangspegel informieren und entsprechend die eigene Sendeleistung anpassen.
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Die optoelektronische Vorrichtung ist bevorzugt als Datenlichtschranke ausgebildet, wobei zumindest die Auswertungseinheit einer der beiden Sensoreinheiten anhand einer Unterbrechung des Lichtsignals ein Objekt in der Übertragungsstrecke erkennt. Damit wird die Zusatzfunktion einer Lichtschranke zur einfachen Erfassung von Objekten erfüllt.
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Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung wird vorzugsweise in einem Regalbediengerät beziehungsweise einem automatisierten Hochregallager mit einer Steuerung und mindestens einer verfahrbaren Bedieneinheit eingesetzt, wobei die eine Sensoreinheit bei der Steuerung und die andere Sensoreinheit bei der Bedieneinheit angeordnet ist. Üblicherweise sind in einem solchen System zahlreiche Bedieneinheiten vorhanden. Dementsprechend werden dann auch mehrere optoelektronische Vorrichtungen eingesetzt, und beispielsweise steht jeweils eine Sensoreinheit am Anfang eines Regals, das von einer jeweiligen Bedieneinheit mit der anderen Sensoreinheit abgefahren wird. Die stationären Sensoreinheiten können eine optische Übertragungsstrecke kaskadierend zu einer Zentralen fortsetzen, aber auch im Gegensatz zu den mobilen Bedieneinheiten vergleichsweise einfach mit Leitungen angeschlossen werden.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die einzige Abbildung der Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer optoelektronischen Vorrichtung zur optischen Datenkommunikation.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer optoelektronischen Vorrichtung 10 mit einer ersten Sensoreinheit 12a und einer zweiten Sensoreinheit 12b. Obwohl denkbar ist, die beiden Sensoreinheiten 12a–b für eine unidirektionale Datenübertragung als Sender beziehungsweise Empfänger auszugestalten, wird die Erfindung an der dargestellten Ausführungsform beschrieben, in welcher die beiden Sensoreinheiten 12a–b gleichartig aufgebaut sind und sowohl als Sender wie als Empfänger fungieren.
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Dazu weist jede Sensoreinheit 12a–b jeweils einen Lichtsender 14a–b, beispielsweise eine Laser- oder LED-Lichtquelle, mit einer Sendeoptik 16a–b, einen Lichtempfänger 20a–b, beispielsweise eine Photodiode, mit einer Empfangsoptik 18a–b sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit 22a–b und eine Schnittstelle 24a–b auf. In einer Anwendung an automatisierten Regalbedieneinheiten wird beispielsweise die eine Sensoreinheit 12a–b stationär montiert, während die andere Sensoreinheit 12b–a mit einer Bedieneinheit längs des Regals verfahren wird. Die Vorrichtung 10 dient dann dazu, Daten zu kommunizieren, um die Bedieneinheit zu steuern oder Informationen von der Bedieneinheit auszulesen.
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Für einen Datenaustausch zwischen den beiden Sensoreinheiten 12a–b wird ein Lichtstrahl vorzugsweise im Infrarotbereich von dem Lichtsender 14a–b der einen Sensoreinheit 12a–b ausgesandt und von dem Lichtempfänger 20b–a der anderen Sensoreinheit 12b–a empfangen. Die Nutzdaten in einem Hauptkanal werden nach einem an sich bekannten Kommunikationsprotokoll, wie Ethernet insbesondere nach dem Standard 100BASE-FX, oder auch einem proprietären Kommunikationsprotokoll sendeseitig aufmoduliert und empfangsseitig durch Demodulation ausgelesen. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Sensoreinheiten 12a–b ist ein bidirektionaler Nutzdatenaustausch möglich. Über die Schnittstelle 24a–b kann der Kommunikationsweg leitungsgebunden oder drahtlos auf nicht optischem Weg fortgesetzt werden, wobei diese Schnittstellen 24a–b zusätzlich genutzt werden können, um die Sensoreinheiten 12a–b zu parametrieren oder zu diagnostizieren.
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Neben dem Hauptkanal wird ein Zusatzkanal eröffnet, indem dem Lichtsignal eine zusätzliche Modulation aufgeprägt wird. Die zusätzliche Modulation ist einfach, beispielsweise lediglich eine Sinusschwingung geringer Amplitude und fester bekannter Frequenz, und sie ist unabhängig von dem Kommunikationsprotokoll und stört die Kommunikation auf dem Hauptkanal nicht. Auf dem Zusatzkanal tauschen die Sensoreinheiten 12a–b keine Nutzdaten aus, sondern Steuerungsdaten, um den Hauptkanal zu etablieren oder zu stabilisieren. Es ist aber auch denkbar, den Zusatzkanal zum Austausch von Nutzdaten zu verwenden und beispielsweise ein Schaltsignal von einer Sensoreinheit 12a–b zur anderen Sensoreinheit 12b–a zu übertragen.
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Ein wichtiger Anwendungsfall ist, dass auf dem Zusatzkanal mit geringem Aufwand angezeigt wird, ob der Empfangspegel hoch ist oder nicht, d.h. ob sich die beiden Sensoreinheiten 12a–b zueinander im Nahbereich befinden oder nicht. Wenn also eine Sensoreinheit 12a–b eine drohende Übersteuerung erkennt, moduliert sie ihr Sendelicht mit der Sinusschwingung und zeigt damit über den Zusatzkanal an, dass sich die Vorrichtung 10 in einer Nahbereichsanordnung befindet. Die Gegenstelle der Kommunikation, nämlich die andere Sensoreinheit 12b–a, tastet das Empfangssignal ihres Lichtempfängers 20a–b ab und kann über einen einfachen, robusten Decoder erkennen, ob das Lichtsignal mit der bekannten Sinusfrequenz beaufschlagt ist. Daran wird ein Nahbereich der Gegenstelle erkannt und gegebenenfalls die Sendeleistung angepasst.
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Die Implementierung des Zusatzkanals mit einem einfachen Sinussignal entspricht einer Bandbreite von einem Bit. Eine derart einfache Kommunikation ist auch noch bei sehr schlechten Randbedingungen zwischen Sender und Empfänger zweifelsfrei erkennbar, also auch bei sehr starken oder sehr schwachen Empfangspegeln beziehungsweise sehr großen oder sehr kleinen Abständen zwischen den Sensoreinheiten 12a–b. In solchen Extremsituationen ist dagegen die Nutzdatenkommunikation bereits stark gestört, wenn nicht aufgrund der Information des Zusatzkanals durch entsprechende Leistungsanpassung gegengesteuert wird. Es kann also auch unter schlechten Bedingungen auf den Zusatzkanal reagiert und die Nutzdatenkommunikation stabilisiert werden.
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Anstelle eines einfachen Sinussignals sind auch unterschiedliche Schwingungsformen mit mehreren Frequenzen denkbar. Das erhöht die Bandbreite des Zusatzkanals, beispielsweise indem jeder Schwingungsform oder Frequenz ein Bit Information zugeordnet wird. Dies ermöglicht insbesondere eine feinere Regelung der optischen Leistung, aber auch die Kommunikation anderer einfacher Steuerungsdaten an die Gegenstelle, beispielsweise einen Aufweckbefehl oder die Aufforderung, Informationen zu senden. Auch solche etwas komplexeren Signale auf dem Zusatzkanal bleiben aber einfach und erreichen nur einige Bit Bandbreite, damit die Übertragung unabhängig von Empfangspegeln robust und die Nutzdatenkommunikation auf dem Hauptkanal unberührt bleibt.
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Die Erfindung ermöglicht eine langsamere oder einfachere Kommunikation jenseits der Datenbandbreite des Hauptkanals unter Ausnutzung dort nicht genutzter Bandbreite bei Übertragung im Basisband. Dies geschieht durch das Einschleusen zusätzlicher Daten in den Frequenzstrom der Nutzdatenübertragung. Dazu kann im Prinzip jedes beliebige Modulationsverfahren angewandt werden, jedoch sollte vorzugsweise der Zusatzkanal besonders einfach und damit robust gehalten werden. Es kann auf diese Weise ein unabhängiger Kommunikationskanal aufgebaut werden, welcher mit der Dynamik durch Abstandsänderungen wesentlich besser umgehen kann, ohne die eigentliche Nutzdatenkommunikation zu beeinflussen. Der Zusatzkanal wiederum kann dafür genutzt werden, den Hauptkanal zu stabilisieren.
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Als Alternative zu einem eigenen Zusatzkanal unabhängig von dem Kommunikationsprotokoll können Steuerungsdaten auch als zusätzliche Daten in den zu übertragenden Nutzdatenstrom eingeschleust und in der Gegenstelle wieder decodiert werden. Ein solches Verfahren kann in vorteilhafter Weise im Zusammenhang mit einer Fehler-Vorwärtskorrektur stattfinden und ermöglicht letztlich einen Steuerungskanal höherer Bandbreite. Damit werden zusätzliche Daten ausgetauscht, die beiden Sensoreinheiten 12a–b zur Verfügung stehen. Bei diesem Vorgehen ist allerdings die Kommunikation von Steuerungsdaten nicht unabhängig von der Nutzdatenkommunikation.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard 100BASE-FX [0020]
