DE3825099C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist ein die Vorrichtungsgattung bildendes mehrkanaliges Meßwerterfassungs-, -übertragungs- und -verarbeitungssystem (DE-PS 34 11 096) bekannt, das auch von einer zentralen Warte aus mit Licht als Betriebsenergie speisbar ist. Jenes System verwendet einen Meßstellenwahlschalter mit Mikroprozessorsteuerung. Deshalb ist jenes System relativ langsam. Zwischen dem Meßstellwahlschalter und einer zentralen Warte ist eine bidirektionale Verbindung vorgesehen, die auch zur Übermittlung von Steuerbefehlen von der zentralen Warte zum Meßstellwahlschalter dient. Es ist kein Hinweis offenbart, auf welche Weise jenes System grundsätzlich ohne solche zum Meßstellenwahlschalter rücklaufende Steuerleitung auskommen könnte, um dennoch unter allen Umständen eine eindeutige Zuordnung zwischen anzuzeigenden Meßdaten und zugehörigem Sensor zu leisten.

Ferner ist ein Telemetriesystem (DE-OS 30 30 632) mit einer Mehrzahl von Wandlerstationen und einer Zentralstation in Form eines kompletten Systems bekannt, in welchem eine mit eingeholten Daten versorgte Zentralstation entweder einen Mikroprozessor in einem Prozeß-Steuersystem enthalten kann oder aber durch einen Datenschreiber bzw. ein Datenterminal repräsentiert sein kann. Jenes System bedient sich einer bitparallelen, vieladrigen Übertragung zu einer Anzeigeeinheit, ohne Fähigkeit zu einem selbstgesteuerten Betrieb. Es ist insoweit ein paralleler Datenbus zur Übergabe digitalisierter, nur parallel verfügbarer Meßdaten sowie ein zusätzlicher Adreßbus zur Fernauswahl entsprechender Meßdaten von einer Auslese- oder Anzeigeeinheit aus vorgesehen, d. h. nur ein Slave-Betrieb über die Ausgangsschnittstelle zu einer Anzeigeeinheit möglich.

Des weiteren wurde eine Vorrichtung zur Erkennung der Position eines auf einem Träger aufgezeichneten elektrophoretischen Bildes (DE-PS 30 19 486) beschrieben, die sich einer Vielzahl gesteuerter Lichtemitter zur zeilenweisen Abtastung eines fortlaufenden Trägers bedient. Sie beinhaltet Mittel, die es erlauben, Unterschiede oder Drifterscheinungen in den lichtemittierenden Elementen und/oder auf den Übertragungswegen zu eliminieren (Normalisierungsfunktion).

Auch eine Lichtschranke mit mehreren mittels eines einzigen Impulsgebers periodisch und innerhalb einer Periode nacheinander über einen Schalter erregbaren Elektroluminiszensdioden (DE-OS 25 52 314) ist bekannt. Diese überprüft selbständig, ob eine elektronische Umschaltung von einem zu einem anderen aus einer Vielzahl von Zuständen einwandfrei erfolgt, indem jeder durch einen Decoder freigegebene Zustand mit Zählsignalen verglichen wird, die unabhängig vom Decoder und einem ihm zugeordneten Hauptzähler erhalten werden; eine Fortschaltung ist nur bei Übereinstimmung möglich, während bei Nichtübereinstimmung die Fortschaltung abgebrochen und ein Alarmsignal ausgelöst wird.

Des weiteren wurde ein im wesentlichen nur einen Sensor bzw. einen Meßort erfassendes optisches Meßgerät vorgeschlagen (DE-OS 28 49 186), bei dem verschiedene, über der Zeit driftanfällige Parameter lichtführender Elemente stabilisiert bzw. kompensiert werden. Eine vielkanalige optoelektronische Erfassung physikalischer Größen ist nicht vorgesehen.

Auch ist eine Vorrichtung bekannt (DE-PS 34 01 858), welche zur optischen Erfassung der Drehzahl einer Welle dient. Bei der dort verwendeten faseroptischen Sensoranordnung wird Licht, das von einer Lichtquelle ausgeht, über einen Lichtwellenleiter zum Sensorelement geleitet, dort entsprechend der physikalischen Meßgröße moduliert und über den Lichtwellenleiter einer Lichtempfangseinrichtung mit einer nachgeschalteten Auswerte- und Anzeigeelektronik zugeführt. Ferner ist ein optoelektronisches Schleifen-Datenübertragungssystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl elektrischer Verbraucher und Geber bekannt (DE-OS 31 47 550), bei welchem ein Zeitmultiplex-System zur Datenübertragung angewandt wird. Sowohl die vorerwähnte Vorrichtung als auch das vorerwähnte Datenübertragungssystem sind zur Übertragung "quasi-digitaler" Lichtinformation ausgelegt bzw. werten zeitliche Übergänge zwischen zwei Hell-Dunkel-Grenzwerten aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine sehr schnelle und dennoch preiswerte Vorrichtung zur optoelektronischen Erfassung von physikalischen Meßgrößen zu schaffen die eine hohe Übertragungsgüte aufweist und hierzu mit einer unidirektionalen Verbindung zwischen einer Signalaufbereitungseinheit und einer Anzeigeeinrichtung auskommt. Insbesondere soll die Zuordnung von Meßdaten zu einem bestimmten Meßaufnehmer ohne besondere Initialisierungsmaßnahmen in einer abgesetzten Auswertungseinheit automatisch herstellbar sein, sobald diese an die unidirektionale Verbindung angeschlossen wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind nach Lehre der darauf rückbezogenen Ansprüche gegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise eine sehr schnelle digitale Übertragung ursprünglich analog eingeholter optischer Sensordaten von einer z. B. in der Nähe der optischen Sensoren befindlichen Akquisitions- und Sendeeinheit zu einer abgesetzten Empfangs- bzw. Auswertungseinheit durch eine einzige Signalader, etwa eine optische. Daraus ergibt sich in der Praxis eine einfache und störungsunempfindliche Anwendbarkeit in allen Fällen, in denen die Unterbringung einer Sensoren abfragenden Erfassungselektronik zwar an einem geschützten Platz in der Nähe solcher Sensoren möglich ist, bei denen aber ein solcher Platz nicht einsehbar ist, so daß Meßwerte dort nicht direkt abgelesen werden können. Die erfindungsgemäß absetzbare Empfangs- bzw. Auswerteeinheit erlaubt eine Ablesung an einem abgelegenen Ort, so daß diese Vorrichtung z. B. in Motorenprüfständen Verwendung finden kann, die aus Sicherheitsgründen nur von einer mit Panzerglas geschützten Kabine aus betätigt werden dürfen. Durch eine bit-serielle Übertragung quasi-parallel bereitgestellter Meßsignale in Verbindung mit Zuordnungssignalen erübrigt es sich, Lichtwellenleiter der optischen Sensoren bis zum Ort der Meßwertanzeige zu führen, wodurch sich der Material- und Installationsaufwand erheblich verringert.

Durch die digitale Übertragung des Datenstromes wird eine Verschlechterung des Störabstandes empfangsseitig auszuwertender bzw. anzuzeigender Nutzdaten vermieden. Des weiteren kann durch das Nichterfordernis einer bidirektionalen Verbindung zwischen Erfassungselektronik und Empfangs- bzw. Auswerteeinheit eine besonders wirksame Potentialtrennung zwischen Akquisitions- und Sendeeinheit und Empfangseinheit realisiert werden, um Meßfehler durch Spannungsabfälle, wie sie z. B. bei Verlegung einer elektrischen Datenleitung in einem größeren Fahrzeug mit stromführendem Chassis leicht entstehen können, zu vermeiden. Überdies ist die Verbindung zwischen Akquisitions- und Sendeeinheit und Empfangseinheit kostengünstig als einadrige Lichtwellenleitung ausführbar.

Für besondere Anwendungen kann die serielle Datenübertragung per Licht auch durch eine serielle Infrarot-, Funk- oder Mikrowellenübertragung ersetzt werden, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung dann ohne körperliches Verbindungselement zwischen der Akquisitions- und Sendeeinheit und der Empfangs- bzw. Auswertungseinheit auskommt und Sensordaten auf diese Weise z. B. von einem sich in Bewegung befindlichen Meßobjekt per Telemetrie potentialfrei abgenommen werden können.

Die Vorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel umfaßt nur wenige Funktionselemente, die als integrierte Standardschaltungen besonders preiswert verfügbar sind. Wenigstens Teile davon können als Hybridschaltung bzw. programmierbares logisches Array nach Spezifikation der relevanten Anwendung hergestellt werden. Dadurch kann insbesondere die Akquisitions- und Sendeeinheit klein und mit geringer Masse hergestellt werden, woraus dann eine hohe mechanische Beanspruchbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Schock und Vibration resultiert. Dadurch genügt die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlichen Erfordernissen für einen zuverlässigen Einsatz in Motorräumen von Fahrzeugen, in Motorenprüfständen, etc.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung eines einzelnen faseroptischen Analogsensors mit üblich nachgeschalteten Auswertemitteln;

Fig. 2 eine schematische Blockdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur opto­ elektronischen Erfassung mehrerer physika­ lischer Meßgrößen;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Akquisitions- und Sendeeinheit mit einer Vielzahl von sequentiell ansteuerbaren Lichtemittern;

Fig. 4 ein zeitbezogenes Zustandsdiagramm der angewandten Analog-Digitalumsetzung mit kombinierter Parallel-Seriell-Wandlung;

Fig. 5a ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Empfangs- und Auswertungseinheit;

Fig. 5b ein Blockschaltbild einer modifizierten Taktfrequenzaufbereitung in einer Empfangs- und Auswertungseinheit gemäß Fig. 5a;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer alternativen Akquisitions- und Sendeeinheit mit einer Vielzahl von sequentiell abfragbaren Licht­ empfängern;

Fig. 7 ein Teilblockschaltbild einer modifizierten Akquisitions- und Sendeeinheit für strecken­ neutrale Meßgrößenerfassung.

Fig. 1 veranschaulicht die Wirkbestandteile eines ein­ fachen Systems zur faseroptischen Erfassung einer Meßgrö­ ße, hier z.B. eines Drehwinkels. Ein lichtemittierendes Haltleiterbauelement 1 strahlt Anregungslicht 2 in eine optische Belichtungsfaser 21 ein, aus der es auf ein um die Achse 4 über einen Winkel 5 dreh- bzw. schwenkbar gelagertes Reflexionselement 6 fällt.

Ein Teil des Anregungslichts tritt nach Reflexion als Meßlicht 3 in eine Meßlichtfaser 31 ein, welche es auf einen optoelektronischen Empfänger 41 lenkt. Die Intensi­ tät des in der Meßlichtfaser 31 geführten Lichts 3 ist somit eine Funktion des Drehwinkels 5. Diese Funktion kann in Abhängigkeit von der Rauheit und sonstigen Beschaffen­ heit der Oberfläche des Reflexionselements 6 monoton über dem Drehwinkel 5 verlaufen und in einem begrenzten Win­ kelbereich z.B. mehr oder weniger linear ausgebildet sein. Der optoelektronische Empfänger 41 speist über eine Leitung 51 eine Verstärker- und Signalaufbereitungseinheit 100, welche z.B. eine Relinearisierung des vom optoelek­ trischen Empfänger 41 abgegebenen elektrischen Signals ausführt, so daß am Ausgang 52 ein Signal abgegeben wird, das über einen interessierenden Bereich des Drehwinkels 5 letzterem proportional ist. Über besagte Leitung 52, welche sowohl eine elektrische als auch eine optische sein kann, ist ein Auswertungsgerät 200 zur Ablesung des Drehwinkels angeschlossen.

Sollen eine Vielzahl von Meßwerten auf diese Weise gleich­ zeitig erfaßt werden, ist die Anordnung entsprechend vielfach vorzusehen. Da sowohl die Verstärker- und Sig­ nalaufbereitungseinheit 100 als auch die Auswertungsein­ heit 200 dann im wesentlichen vielfach parallel dieselben Elemente enthalten, führt eine Mehrfachausnutzung dieser Einheiten nicht nur zur Senkung der Herstellungskosten eines entsprechenden Vielkanalsystems, sondern erhöht wegen reduzierter Anzahl vorzusehender Bauelemente auch die Gesamtzuverlässigkeit eines solchen Systems beträcht­ lich.

Die Blockdarstellung gemäß Fig. 2 zeigt die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zur Erfassung mehrerer physikalischer Meßgrößen aufgelöst in einzelne Funktionsblöcke. Sie besteht aus der Akquisitions- und Sendeeinheit 100 und der Empfangs- und Auswertungseinheit 200. Beispielsweise acht optischen Sensoren 11 bis 18, gekennzeichnet durch Symbole S ₁ bis S ₈, wird von einer Lichtquellenanordnung 101 über Anregungsfasern 21 bis 28 Anregungslicht zugeführt. In entsprechender Weise wird von den optischen Sensoren 11 bis 18 Meßlicht über jeweils zugeordnete Meßlichtfasern 31 bis 38 abgenommen und einer optoelektronischen Empfänger­ anordnung 102 zugeführt. Diese Empfängeranordnung wirkt auf eine Analog/Digitalwandlungsfunktion 103, die aus Meßlicht gewonnene analoge Meßsignalspannungen in digitale Meßworte umsetzt. Eine Ablaufsteuerung als Bestandteil einer Parallel-Seriell-Wandlung 104 aktiviert zeitlich nacheinander einzelne Lichtquellen der Lichtquellenan­ ordnung 101, oder ordnet zeitlich nacheinander die Aus­ gangssignale einzelner Lichtempfänger der optoelektro­ nischen Empfängeranordnung 102 besagter Analog/Digital­ wandlungsfunktion 103 so zu, daß die Sensoren 11 bis 18 zyklisch ausgelesen werden. Die Parallel-Seriell-Wandlung 104 besagter digitaler Meßwerte wirkt mit einer Überwa­ chungsfunktion 105 zusammen, die nach Abfrage aller Sensoren das Fehlen von Fremdlichteinstreuungen, d.h. das Nichtvorliegen von störlichtbedingten Meßfehlern, über­ prüft und die Auswertung von Sensorsignalen nur freigibt, wenn entsprechende Meßfehler nicht vorliegen. Eine serielle Sendeanordnung 106 überträgt die gewonnenen Meßdaten im Zeitmultiplex über die Leitung 52 an den seriellen Emp­ fänger 201, dem eine Demultiplex-Anordnung 202 nachge­ schaltet ist, welche schließlich über eine Auswerteschal­ tung 203 eine Anzeigeeinheit 204 ansteuert, die auch die Funktion eines Bus-Interface haben kann.

Fig. 3 veranschaulicht zunächst die erfindungsgemäße Akquisitions- und Sendeeinheit 100. Die gezeigte Einrich­ tung sieht eine sieben Bit breite (m=7) A/D-Wandlung vor, die in praxi etwa 1% Auflösungsfehler erreicht. Ein Taktgenerator 110 speist über eine Takt-Leitung 129 Takteingänge 130 bzw. 131 eines 11stufigen 1-aus-11- Ringzählers 111 und eines Schieberegisters 122. Der 1-aus-11-Ringzähler 111 besitzt elf Ausgänge Q 0 bis Q 10, von denen jeweils nur einer im entsprechend zugeordneten Zählstatus innerhalb eines Ringzyklus von "L" auf "H" gesetzt wird. Dem Fortschreiten des Zählstatus gemäß schreitet somit ein "H"-Pegel vom Ausgang Q 0 über Q 1, Q 2, etc. bis Q 10 fort, um dann wieder bei Q 0 zu beginnen, entsprechend einem Zählzustand "0" bis "10".

Ein solcher Zähler ist z. B. aus zwei kaskadierten CMOS-Johnson-Zählern MC 14017-AL/CL/CP konfigurierbar, da dieser Baustein bereits alle erforderlichen Ausgangsgatter zur Umsetzung des Johnson-Codes in einen 1-aus-10-Code (Zählzustand 0 bis 9) enthält. Für einen 1-aus-11-Zähler ist lediglich eine Rückführung desjenigen Ausganges zweier solcher kaskadierten Zähler auf den Master-Reset-Eingang (MR) der kaskadierten Zählbausteine vorzusehen, welcher vom Zählzustand "0" aus gerechnet dem Zählzustand "11" entspricht, so daß das Erreichen des Zählzustandes "11" sofort den Zählzustand "0" auslöst (Q 11 setzt über MR Q 0). Über eine Leitung 134 ist der Ausgang Q 0 des Zählers 111 mit dem Takt-Eingang 135 eines nachgeschalteten zweiten 1-aus-n-Ringzählers 112 verbunden. Die Stufenzahl n dieses Ringzählers richtet sich nach der gewünschten Maximalzahl anschließbarer Sensoren. n=9, d. h. neun Ausgänge Q 0 bis Q 8, entsprechen dem beispielhaft angenommenen Fall von acht Sensoren 11 bis 18; für Sensoren ist ein zehnter Ausgang Q 9 mit Ansteuerleitung 159 noch angedeutet. Die maximale Anzahl anschließbarer Sensoren ist somit gleich der um eins verminderten Stufenzahl n des Zählers 112. Für die Konfiguration des Zählers 112 gilt somit das vorerwähnte gleichermaßen; werden acht Sensoren vorgesehen und damit n=9 Zählstufen benötigt, reicht als Zähler 112 somit ein einziger Baustein MC 14017-AL/CL/CP aus, bei dem der Ausgang Q 9 auf dessen Master-Reset-Eingang (MR) rückzuführen ist; dadurch wird bei Erreichen des Zählzustandes "9" sofort der Zählzustand "0" erreicht (Q 9 setzt über MR Q 0). Allerdings sind die individuellen Rückführungen von Zählerausgängen zur Rücksetzung solcher Zähler zwecks Zählstufenbegrenzung dann mit dem weiter unten beschriebenen Rücksetzbefehl aus der Fremdlichtkontrolle (FK; ausgegeben vom UND-Gatter 128) ODER-zu verknüpfen, damit die individuellen Zählstufenbegrenzungen und die Fremdlichtrücksetzung der Zähler unabhängig voneinander möglich sind. Entsprechende Rückführungen bei Verwendung der genannten Bausteine sind dem Fachmann geläufig und deshalb hier nicht weiter ausgeführt, und somit als in den Zählern 111 und 112 enthalten zu verstehen.

Die Ausgänge Q 1 bis Q 8 sind über entsprechende Leitungen 113 mit einer Treiberschaltung 114 verbunden, die im wesentlichen eine der Sensorzahl entsprechende Zahl von Endstufen 114/1 bis 114/8 enthält, die über die Leitungen 113 vom Zähler 112 unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Entsprechende Ausgangsleitungen 115 sind mit individuellen optoelektronischen Lichtemittern 116/1 bis 116/8 in der Lichtquellenanordnung 101 verbunden. Einem jeden dieser optoelektronischen Lichtemitter ist beispielhaft ein individueller Lichtweg, z. B. eine individuelle lichtleitende Anregungsfaser 21 bis 28, zugeordnet, welcher zu dem jeweils entsprechenden der Sensoren 11 bis 18 führt.

In analoger Weise führt von jedem einzelnen der Sensoren 11 bis 18 ein individueller Lichtweg, z.B. eine individu­ elle lichtleitende Meßlichtfaser 31 bis 38, zu vorzugs­ weise je einem individuellen optoelektronischen Lichtemp­ fänger 117/1 bis 117/8 in der Lichtempfängeranordnung 102; die Signalausgänge der einzelnen Lichtempfänger sind hier parallelgeschaltet dargestellt. Es kann aber auch nur ein einziger optoelektronischer Empfänger 117 in der Anordnung 102 vorgesehen sein, an den einzelne Meßlichtwege 31 bis 38 geeignet anschließen. Da in der Regel jedoch hohe Präzisionsanforderungen zu erfüllen sind, um eine nähernd gleiche Ankoppelungsdämpfung vieler Meßlichtwege an einen einzigen optoelektronischen Empfänger zu gewährleisten, ist die angedeutete Parallelschaltung mehrerer solcher Empfänger mit beispielsweise nur jeweils einer individuell ankoppelnden Meßlichtfaser in den meisten Fällen billiger und praktikabler. Eine solche Ausbildung kommt auch einer leichten Austauschbarkeit defekter oder aufgabenspezifisch angepaßter Sensoren entgegen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können einander entsprechende Anregungs- und Meßlichtwege zu und von Sensoren 11 bis 18 paarweise auch in einem jeweils einkörperlichen Lichtleiter geführt sein; in einem solchen Fall können zur Trennung von Anregungs- und Meßlicht zusätzliche Mittel, etwa Interferenzfilter, vorgesehen sein.

Der Ausgang der optoelektrischen Empfängeranordnung 117 ist über die Leitung 118 mit dem Eingang eines Verstärkers 119 verbunden, dessen Ausgang den Analogeingang (AI) 153 eines Analog/Digital(A/D)-Wandlers 120 speist. Es kann sich hierbei z. B. um einen monolithischen 8-bit-A/D- Wandler handeln, bei dem nur sieben der insgesamt acht Digitalausgänge (DO) 154 benutzt werden (LSB-Ausgang unbenutzt). Jeder dieser Ausgänge 154 speist über eine der sieben Verbindungsleitungen 121 einen entsprechenden aus acht parallelen Dateingängen (PD) 155 des vorerwähnten Schieberegisters 122, und zwar die Eingänge PD 1 bis PD 7. Der Eingang PD 0 des Schieberegisters ist fest mit Masse verbunden und dadurch dauernd auf "L" gesetzt. Der Ausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122 speist eine Treiberstufe 123, die ihrerseits einen seriellen Datensender, z. B. einen optoelektronischen Emitter 124, speist. Sein im Takt der erfaßten und digitalisierten Daten moduliertes bzw. geschaltetes Licht wird über eine Lichtwellenleitung 158 an die ggf. in größerer Entfernung abgesetzte Empfangs- und Auswertungseinheit 200 geschickt.

Über eine Leitung 140 ist der Ausgang Q 0 des zweiten Zählers 112 mit dem ersten Eingang eines ersten UND- Gatters 127 verbunden. Über eine Leitung 136 ist der Ausgang Q 1 des ersten Zählers 111 mit dem Convert-Execute- Eingang (CE) des A/D-Wandlers 120 verbunden, der Ausgang Q 2 des Zählers 111 ist unbeschaltet. Der Ausgang Q 3 des Zählers 111 speist über eine Leitung 138 den Ladeeingang (PL) 139 des Schieberegisters 122. Der zweite Eingang des ersten UND-Gatters 126 wird über eine Leitung 140 vom Ausgang Q 4 des Zählers 111 gespeist. Die Ausgänge Q 5 bis Q 10 sowie der Ausgang des ersten UND-Gatters 126 sind jeweils an entsprechende Eingänge eines ODER-Gatters 125 geführt, dessen Ausgang über eine Leitung 144 den seriellen Dateneingang (SD) 145 des Schieberegisters 122 sowie den zweiten Eingang 146 des zweiten UND-Gatters 127 speist. Der erste Eingang 149 eines dritten UND-Gatters 128 wird vom Ausgang des zweiten UND-Gatters 127 angesteuert, während der zweite Eingang 150 des dritten UND-Gatters 128 mit dem seriellen Datenausgang (SD) 148 des Schieberegi­ sters 122 verbunden ist. Der Ausgang dieses dritten UND-Gatters 128 speist über eine Reset-Leitung 151 die Master-Reset-Eingänge (MR) 133 bzw. 152 der Zähler 111 bzw. 112.

Die Funktion der Anordnung gemäß Fig. 3 wird anhand der zeitbezogenen Zustandstabelle gemäß Fig. 4 verständlich. Dabei stehen das Symbol log. "L" z. B. für einen Signalpe­ gel gleich oder nahe Null und log. "H" für einen Signal­ pegel gleich oder nahe einer Betriebsspannung der Anord­ nung. Der Signalzustand "X" ist beider Werte fähig und charakterisiert beliebige Zustände von Meß- oder Signal- Bits.

In Zeile (A) sind die Zeit und in zeitlicher Aufeinander­ folge durchlaufener Signalzyklen des 1-aus-11-Zählers 111 aufgetragen, beginnend mit einem sog. Nullzyklus, und daran sich anschließenden individuellen Signalzyklen für die Sensoren S ₁, S ₂, S ₃, etc., bis nach n dieser Zyklen als Ausgangszustand wieder der Nullzyklus erreicht wird; die Aufeinanderfolge der einzelnen Zyklen wird dabei durch die Zählzustände des 1-aus-n-Zählers 112 bestimmt. Im Nullzyklus wurde davon ausgegangen, daß die Lichtempfän­ geranordnung 117 kein Meßlicht empfängt, und der A/D-Wandler 120 deshalb als "Dunkelsignal" an sämtlichen Ausgängen (DO) 154 den Pegel "L" abgibt. Zeile (L) zeigt den jeweiligen Zählzustand des 1-aus-11-Zählers 111, und kennzeichnet damit jene Zeitintervalle, in denen nachein­ ander immer nur einer der elf Ausgänge Q 0 bis Q 10 dieses Zählers den Momentanzustand "H" aufweist. In Zeilen (C) bis (K) sind die Signalzustände an den acht Parallel­ eingängen (PD) 155 des Schieberegisters 122 dargestellt. Die Zustandszeile (C) gibt zugleich die log. Pegel am Ausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122 an. In der Signalzeile (B) ist die sich daraus ergebende Zeitfunktion dargestellt. Die Zeile (M) kennzeichnet diejenigen der Eingänge (CE) 137 des A/D-Wandlers 120 sowie (PL) 139 und (SD) 145 des Schieberegister 122, die momentan auf log. "H" liegen. Immer wenn beim Zählzustand "3" der Ausgang Q 3 des Zählers 111 auf "H" liegt, wird der Eingang (PL) 139 des Schieberegisters 122 aktiviert und gemäß Zeilen (D) bis (K) als Folge davon an allen Parallel-Eingängen (PD) 155 der momentane log. Zustand der Ausgänge (DO) 154 des A/D-Wandlers 120 in die Registereingänge PD 1 bis PD 7 ge­ schrieben; am Eingang PD 0 wird wegen dessen Festanschluß an Massepotential (wired "L") immer "L" eingelesen. Da der am Eingang PD 0 eingelesene Zustand "L" sofort am Ausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122 anliegt, erscheint während des Zählzustands "3" des 1-aus-11-Zählers 111 in Zeile (C) immer der Signalzustand "L". Dieser Signalzu­ stand repräsentiert das "Start-Bit", mit dem jeder indi­ viduelle Signalzyklus beginnt, damit in der Empfangs­ einrichtung aus dem seriellen Datenstrom jeweils der Beginn eines neuen Meßzyklus genau erkannt werden kann. Dies ist in Zeile (B) dargestellt.

Das Schieberegister 122 wird synchron mit dem 1-aus-11- Zähler 111 getaktet, so daß alle beim Zählzustand "3" des 1-aus-11-Zählers 111 parallel eingeschriebenen Signal-Bits sowie besagtes Start-Bit "L" nacheinander am Ausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122 erscheinen, so wie dies in der Zustandszeile (C) und der Signalzeile (B) dargestellt ist; die unter dem Nullzyklus eingetragenen Pfeile cha­ rakterisieren den getakteten Schiebevorgang der entspre­ chenden Bits zum Ausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122. Signal- oder Daten-Bits (gekennzeichnet als X-Bits) werden somit während der Zustände "4" bis "10" des 1-aus-11-Zählers 111 übertragen; in Zeile (B) ist das jeweils sieben X-Bit währende Signalzeitfenster kenntlich gemacht.

Der Nullzyklus ist charakterisiert durch den Zustand log. "H" am Ausgang Q 0 des 1-aus-n-Zählers 112. Demgegenüber charakterisiert ein entsprechender Zustand log. "L" die Signalzyklen, während derer Meßdaten der einzelnen Sen­ soren übertragen werden. Da der Ausgang Q 0 des Zählers 112 durch das erste UND-Gatter 126 mit dem Ausgang Q 4 des 1-aus-11-Zählers 111 konjugiert ist, wird im Nullzyklus bereits beim Zählzustand "4" des 1-aus-11-Zählers 111 der Zustand log. "H" an den seriellen Eingang (SD) 145 des Schieberegisters 122 abgegeben, so daß in den seriellen Eingang (SD) 145 des Schieberegisters im Nullzyklus während eines sieben Takt-Impulse dauernden Zeitfensters der Zustand log. "H" eingelesen wird; der gegenüber den Signalzyklen dort um einen Takt verfrühte "H"-Zustand ist über dem Zählzustand "4" in der Zeile (K) eingetragen. In allen übrigen Signalzyklen wird erst beim Zählzustand "5" des 1-aus-11-Zählers 111 der Zustand log. "H" an den seriellen Eingang (SD) 145 des Schieberegisters 122 abgegeben, so daß das entsprechende Zeitfenster nur sechs Takt-Impulse dauert; entsprechende "L"-Zustände am Eingang (SD) 145 des Schieberegisters 122 in den Signalzyklen sind über dem in Zeile (L) angegebenen Zählzustand "4" in der Zeile (K) eingetragen. Es ist ersichtlich, daß die bei Zählzuständen "5" und "6" vom 1-aus-11-Zähler an dessen Ausgängen Q 5 und Q 6 ausgegebenen "H"-Zustände nach jeweils sieben Taktschritten am Ausgang (SO) 148 des Schieberegi­ sters 122 als Stop-Bits erscheinen. Sie schließen auf das Nullsynchron-Bit folgend einen Meßzyklus ab, so wie dies in Zustandzeile (C) und Signalzeile (B) dargestellt ist. Die während Zählzuständen "7" bis "10" in den seriellen Dateneingang (SD) 145 des Schieberegisters 122 eingele­ senen "H"-Zustände werden darin ebenfalls weitergeschoben, jedoch beim nächsten Zählzustand "3" wieder mit neuen Sensordaten bzw. deren Signal-Bits überschrieben.

Somit besteht jeder Signalzyklus aus einem Start-Bit, sieben Signalbits, einem Nullsynchron-Bit und zwei Stop- Bits. Das Nullsynchron-Bit, die beiden Stop-Bits und das Start-Bit bilden ein vier Bit langes Synchronisationswort, anhand dessen der nachgeschaltete serielle Datenempfänger die einzelnen Sensorsignale unterscheiden kann. Das nur im Nullzyklus auftretende Nullsynchron-Bit leistet dabei die richtige Zuordnung von übertragenen Signaldaten zum jeweiligen Sensor bzw. dessen Nummer. Daraus folgt, daß die Stufenzahl des ersten Zählers 111 stets gleich der Summe aus Bit-Länge des Synchronwortes sowie der Bit- Breite (oder seriellen Bit-Länge) m der digital gewandel­ ten Sensorsignale ist, im vorliegenden Beispielfall also 4 +7=11; das Schieberegister hat eine Registerlänge von (m+1), d.h. 7+1=8 Bit.

Wie schon erwähnt dient der Nullzyklus zu einer Überprü­ fung dahingehend, ob die Meßsignale durch Fremdlichtein­ streuungen verfälscht sind oder nicht. Dazu wird während des im Nullzyklus vom Zählzustand "4" bis "10" des 1- aus-11-Zählers 111 sieben Takte andauernden "Dunkel-Zeit­ fensters" geprüft, ob am seriellen Datenausgang (SO) 148 des Schieberegisters 122 ein "H"-Zustand auftritt; wie eingangs angenommen müßten bei vollständiger Dunkelheit ausschließlich "L"-Zustände beim vorausgegangenen Zählzu­ stand "3" parallel geladen worden sein. Das vorerwähnte "Dunkel-Zeitfenster" wird durch UND-Verknüpfung 127 des "H"-Zustandes an Q 0 des Zyklus-Zählers 112 im Nullzyklus und der am seriellen Dateneingang 145 des Schieberegisters 122 anliegenden Zeitfensters erzeugt. Tritt im seriellen Datenstrom des Nullzyklus ein "H"-Bit auf, bewirkt dieses wegen der UND-Verknüpfung 128 mit dem vorerwähnt sieben Takte währenden "Dunkel-Zeitfenster" durch Ansteuerung der Master-Reset-Eingänge (MR) 133 bzw. 152 der Zähler 111 und 112 ein Rücksetzen beider Zähler, so daß weder alle Zyklen ordnungsgemäß durchlaufen werden noch die Synchronbits bzw. das Synchronwort sich jeweils nach 11 Takten peri­ odisch wiederholen können. Vielmehr wird nach einer Rücksetzung der Zähler 111 und 112 mit dem nächsten Taktimpuls im Zählzustand "1" des Zählers 111 der A/D-Wandler 120 erneut ausgelöst und das Ergebnis zwei Taktimpulse später im Zählzustand "3" des Zählers 111 ins Schieberegister parallelgeladen. Da beim Laden des Schie­ beregisters dessen Inhalt jeweils überschrieben wird, wird bei Vorliegen einer konstanten Fremdlichtstörung ein gleichbleibendes Bitmuster gesendet, das aus dem Start-Bit und einer Folge von "L"-Bits besteht, wobei sich deren Anzahl nach derjenigen Stelle richtet, in der das erste einen Fehler charakterisierende "H"-Bit im Dunkelzyklus auftritt; dieses löst sofort die Rücksetzung der Zähler aus. Somit kann kein vollständiges Synchronwort assem­ bliert werden, und da der in der Empfangs- bzw. Auswer­ tungseinheit als Demultiplexer verwendete UART-Baustein nur auf das intakte Synchronwort anspricht, wird dadurch das Auswerten bzw. Anzeigen von durch Fremdlicht ver­ fälschten Daten vermieden. Auf diese Weise kann empfangs­ seitig ein vorliegendes serielles Signal, das jedoch nicht gedemultiplext werden kann, einfach zu einer Defekt- oder Störungsanzeige ausgewertet werden.

Die Kanalzahl bzw. Kanalbreite der Treiberschaltung 114 (114/1 . . . 114/(n-1)), der Lichtquellenanordnung 101 (116/1 . . . 116/(n-1)), der Lichtempfängeranordnung 102 (117/1 . . . 117/(n-1)) richtet sich ausschließlich nach der Zahl maximal abzufragender Sensoren bzw. vorzusehender Meßkanäle, und diese wiederum nach der Stufenzahl n des 1-aus-n-Zählers 112. Da die Anzahl der maximal betreib­ baren Sensoren gleich (n-1) ist, ergibt sich eine sehr einfache Erweiterbarkeit der erfindungsgemäßen Akquisitions- und Sendeeinrichtung auf eine größere Zahl von Sensoren als ursprünglich vorgesehen, indem lediglich die Parallel­ breite der Teile 114, 101 und 102 entsprechend der maximal gewünschten Anzahl (n-1) von Sensoren geeignet zu vergrößern ist. Ist (n-1) ursprünglich kleiner als eine auszulesende Zahl von Sensoren, ist auch der Zähler 112 gegen einen gleichartigen mit höherer Stufenzahl auszutauschen; bis auf die Erhöhung der Anzahl von Signalzyklen und die Verringerung der Wiederholfrequenz ein- und desselben Zyklus bleibt die Funktions- und Wirkungsweise der Anord­ nung dadurch unverändert.

Fig. 5a veranschaulicht die abgesetzt betreibbare Emp­ fangs- bzw. Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vor­ richtung. Sie besteht aus einem Empfangskopf 201, einer nachgeschalteten Demultiplex-Anordnung 214, 217 a, 222, sowie Auswertungsanordnungen 220 und 228, bei welchen es sich z. B. um Anzeigeeinrichtungen oder um Teile eines Bus-Interface handeln kann, mit deren Hilfe zurückgewon­ nene Sensordaten auf einen Bus lesbar sind. Der Empfangs­ kopf 201 enthält einen Empfangswandler 210, z. B. einen optoelektronischen Empfänger, der den Übertragungslicht­ wellenleiter 158 abschließt, oder einen Funk- bzw. Mikro­ wellenempfänger mit Demodulator, der dann über eine entsprechende Leitung 158 mit einer nicht dargestellten Empfangsantenne verbunden ist. Das vom Empfangswandler 210 abgegebene serielle Digitalsignal wird im Vorverstärker 211 vorverstärkt und erforderlichenfalls gefiltert, im Verstärker 212 nachverstärkt und dann dem Schmitt-Trigger 213 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird dem seriellen Eingang (SI) eines UART-Bausteins (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 214 zugeführt, der hier nur im Emp­ fangsmode arbeitet. Sein Takteingang 216 wird vom Taktge­ nerator 217 der Taktfrequenzquelle 217 a mit einem Taktsi­ gnal versorgt, dessen Frequenz z. B. 16fach höher ist als die Bitrate (High Clock). Enthält das serielle Signal ein Stop-Bit und ein Start-Bit ("HHL"-Folge), erzeugt der UART-Baustein aus den nachfolgenden seriellen Datenbits der einzelnen Signalzyklen wieder parallele Bitmuster, die am parallelen Ausgangsport 218 an Ausgängen (PO) Q 1 bis Q 7 zur Verfügung stehen. Zum Ab- oder Auslesen werden sie an eine Leseanordnung 220, etwa eine Anzeigeeinrichtung oder einen ersten Teil eines Bus-Interface, abgegeben. Die vom Taktgenerator 217 abgegebene Taktfrequenz wird in einem Frequenzteiler 225 um den Faktor 16 (m+4) geteilt, und das so erhaltene niederfrequentere Taktsignal (Low Clock) wird dem Takteingang 224 eines weiteren 1-aus-n-Ringzählers 222 zugeführt. Der Ausgang Q 0 des UART-Bausteins 214 ist mit dem Master-Reset-Eingang (MR) 223 dieses Ringzählers verbunden. Zum Auslesen seines Zählzustandes und somit der Nummer des zum ausgegebenen Signalwert gehörenden Sensors sind die Ausgänge Q 0 bis Q 7 des Zählers 222 über Leitungen 227 mit einer weiteren Leseanordnung 228, etwa einer Anzeigeeinrichtung oder einem zweiten Teil eines Bus- Interface, verbunden. Da am Ausgang Q 0 des UART-Bausteins 214 das vorgenannte Synchronisations-Bit während des Nullzyklus abgegeben wird, wird der 1-aus-n-Ringzähler 222 dadurch jeweils auf den Zählzustand "0" zurückgesetzt, so daß die zuvor an die Auswertungsanordnungen 220 abgege­ benen Datenbits (der Fremdlichtkontrolle) als dem Nullzy­ klus zugehörig eindeutig zugeordnet werden können.

Fig. 5b zeigt eine alternative Taktfrequenzquelle 217 a zur Versorgung des UART-Bausteins 214 und des 1-aus-n- Ringzählers 222 mit Taktsignalen. Der Taktgenerator 217, welcher den Takteingang 224 des 1-aus-n-Ringzählers 222 hier direkt ansteuert, hat in diesem Fall dieselbe Takt­ frequenz wie der sendeseitige Taktgenerator 110 (Low Clock). Der Frequenzteiler 225 ist in eine PLL-Regel­ schleife verlagert und dort zwischen einen z. B. die sechzehnfache Frequenz erzeugenden spannungsgesteuerten Taktoszillator (VCO) 225/1 und einen vom Taktgenerator 217 gespeisten Phasenkomparator 225/2 geschaltet. Der Ausgang des Phasenkomparators 225/2 ist über ein Schleifenfilter 225/3 mit Tiefpaßcharakteristik zum Steuern des VCOs 225/1 an dessen Spannungseingang geführt. Im eingeschwungenen Zustand der Regelschleife liefert der VCO 225/1 so eine z. B. sechzehnfache Taktfrequenz (High Clock) an den Takteingang 216 des UART-Bausteins 214, die phasenstarr mit der der Bitrate entsprechenden Taktfrequenz am Takt­ eingang 224 des 1-aus-n-Ringzählers 222 verkettet ist.

Eine solche Ausbildung bietet den weiteren Vorteil, daß keine allzu hohen Stabilitätsanforderungen an die Taktge­ neratoren 110 und 217 zu stellen sind, wenn der Taktgene­ rator 217 über einen zusätzlichen, nicht gezeigten PLL- Regelkreis aus Signalbitwechseln der höchsten vorkommenden Rate am Ausgang des seriellen Datenempfängers 201 als "Slave" auf die Taktrate des Taktgenerators 110 als "Master" synchronisiert wird, so daß dadurch dem Taktein­ gang 224 und dem Phasenkomparator 225/2 als Referenzfre­ quenz im wesentlichen die Taktfrequenz des Schieberegi­ sters 122 zuführbar ist.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausbildung eines Akquisi­ tions- und Sendeteils 100 a der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung. Bei ihr ist eine kontinuierlich betriebene Fest­ lichtquelle 101 a vorgesehen, die alle Anregungsfasern 21 bis 28 der Sensoren 11 bis 18 gleichermaßen mit Licht versorgt. Beispielsweise eine Glühlampe kann dazu vorge­ sehen sein. In der Lichtempfängeranordnung 102 ist auch hier eine der Anzahl von Sensoren entsprechende Anzahl individueller Lichtempfänger 117/1 bis 117/8 vorgesehen, die jedoch ausgangsseitig nicht parallel geschaltet sind.

Vielmehr wirken sie über individuelle Signalleitungen 118 a auf eine Schaltanordnung 160, die eine entsprechende Anzahl von Analog-Schaltern 160/1 bis 160/8 aufweist, welche nach Maßgabe der Ansteuerung über Auswahlleitungen 113 vom Zyklus-Zähler 112 die einzelnen Lichtempfänger 117/1 bis 117/8 zyklisch nacheinander an eine gemeinsame Ausgangsschiene 161 anlegt. Diese Abwandlung bietet den Vorteil, daß momentan nicht in Abfragung begriffene Sensoren und ihre nachgeschalteten Lichtempfänger keinen die Auflösung und den Störabstand verschlechternden Beitrag zum Systemrauschen beitragen können, weil sie in diesem Zustand nicht auf den Verstärker 119 durchgeschal­ tet sind. Im gezeigten Fall liefert der Nullzyklus dann eine Aussage, ob sämtliche Analog-Schalter in geöffnetem Zustand eine ausreichende Isolation erreichen, und daß somit kein fehlerhaftes Übersprechen zwischen parallel anfallenden Sensorsignalen vorliegt.

Die abgewandelte Ausgestaltung der Akquisitions- und Sendeeinheit gemäß Fig. 6 kann z. B. bei Verwendung einer einfachen Glühlampe als Lichtemitter oder bei erheblichem Empfängerrauschen infolge sehr hoher Betriebstemperatur deutliche Vorteile bieten. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 3 bietet hingegen den Vorteil, daß die einzelnen betriebenen und nur relativ kurze Zeit gepulste angesteuerten opto­ elektronischen Lichtemitter 116/1 bis 116/8 mit verhält­ nismäßig hohem Betriebsstrom und hoher Lichtausbeute betrieben werden können, weil die Anstiegszeit des Licht­ aufbaus um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die thermische Zeitkonstante und damit der Anstieg der Chip- Temperatur infolge umgesetzter Verlustleistung. Insgesamt ergibt sich daraus eine hohe Wirtschaftlichkeit der Akquisitions- und Sendeeinheit gemäß Fig. 3.

Fig. 7 zeigt ausschnittsweise eine weiter modifizierte Ausbildung eines Akquisitions- und Sendeteils 100 b der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie kann eine "strecken­ neutrale" Messung dadurch leisten, daß sie neben je­ weiligen Meßwerten auch noch das optische Übertragungsmaß des jeweiligen Meßkanals zwischen Lichtsender- und Licht­ empfängeranordnung 101 und 102 als Referenzwert mitzuüber­ tragen erlaubt. Wenn dieser Wert empfangsseitig verfügbar ist, kann die entsprechende Meßgröße darauf bezogen werden, so daß das Meßergebnis befreit von optischen Streckeneinflüssen wie Alterung, thermischer Drift, etc. empfangsseitig darstellbar ist (Normalisierung).

Zu diesem Zweck sind z. B. die Sensoren 11, 13, 15 und 17 als Meßsensoren und die Sensoren 12, 14, 16 und 18 als Referenzsensoren vorgesehen. In entsprechender Weise sind die Lichtstrecken 21, 23, 25 und 27 bzw. 22, 24, 26 und 28 zur Anregung der Meß- bzw. Referenzsensoren und die Lichtstrecken 31, 33, 35 und 37 bzw. 32, 34, 36 und 38 zum Abfragen derselben vorgesehen. Wie schon erwähnt, können die Lichtwege wenigstens paarweise in jeweils einkörper­ lichen Lichtleitern geführt sein, z. B. 21 zusammen mit 31, 22 zusammen mit 32, etc. Die Sensoren 11 und 12 sind beispielsweise dem ersten Meßkanal zugeordnet, die Sensoren 13 und 14 dem zweiten etc. Jeweils Ausgänge Q 1 und Q 2, Q 3 und Q 4, etc. des Zyklus-Zählers 112 sind durch ODER-Gatter 162 bis 165 paarweise zusammengefaßt an die Eingänge der Endstufen 114/1 bis 114/4 der Treiberschal­ tung 114 a geführt. Die Ausgänge der Endstufen speisen Lichtemitter 116/1 bis 116/8 der Lichtsenderanordnung 101, und zwar so, daß in Zählzuständen "1" und "2" des Zyklus- Zählers 112 das Lichtemitterpaar 116/1 und 116/2 ange­ steuert und somit das Sensorpaar 11 und 12 angeregt wird, in Zählzuständen "3" und "4" das Lichtemitterpaar 116/3 und 116/4 bzw. das Sensorpaar 13 und 14, etc. Anstelle eines Lichtemitterpaars 116/1 und 116/2, 116/3 und 116/4 für je zwei Sensoren 11 und 12, 13 und 14, etc. kann in der Lichtsenderanordnung 101 auch nur jeweils ein Licht­ emitter für jeweils zwei Sensoren vorgesehen sein (insge­ samt vier Lichtemitter).

Demgegenüber weist die Lichtempfängeranordnung 102 im einfachsten Fall z. B. nur zwei optoelektronische Licht­ empfänger auf, und zwar einen zur Meßgrößenerfassung, in welchen beispielhaft die Meßlichtstrecken 31, 33, 35 und 37 einspeisen, und einen zur Erfassung des optischen Übertragungsmaßes im jeweiligen Meßkanal, in welchen beispielhaft die Meßlichtstrecken 32, 34, 36 und 38 einspeisen. Gezeigt ist hier der Fall, daß jede Meßlicht­ strecke in einen besonderen Lichtempfänger 117/1 bis 117/8 einspeist. Die Ausgänge dieser Empfänger sind gruppenweise zu zwei Sammelleitungen 118 M und 118 R zusammengefaßt, wobei die Leitung 118 M die Empfangssignale von den Meßsensoren 11, 13, 15 und 17 und die Leitung 118 R die Empfangssignale von den Referenzsensoren 12, 14, 16 und 18 führt. Die Leitungen 118 M und 118 R sind an zwei Eingänge einer steuerbaren Umschalteinrichtung 166 geführt, die z. B. durch einen integrierten Mehrfach-Analogschalter mit zwei Einschaltstrecken 167 und 168 realisiert sein kann. Der Ausgang 118 der Umschalteinrichtung 166 ist mit dem Eingang des Verstärkers 119 verbunden.

Zur Steuerung der Umschalteinrichtung 166, d. h. der zwei Schalter 167 und 168, sind beispielhaft zwei ODER-Gatter 169 und 170 vorgesehen, wobei ersteres eingangsseitig mit den ungeradzahligen Ausgängen und letzteres eingangsseitig mit den geradzahligen Ausgängen des Zyklus-Zählers 112 verbunden ist. Eines der beiden ODER-Gater 169 und 170 kann auch entfallen, wenn das Ausgangssignal des ver­ bleibenden Gatters auch negiert vorliegt und/oder nach zusätzlicher Invertierung dem Steuereingang eines der beiden Schalter 167 oder 168 beaufschlagbar ist. Auf diese Weise wird während der Anregung eines Meßkanales, d. h. seines Meßsensors und seines Referenzsensors, in zyklisch verschachtelter Aufeinanderfolge nach jedem eine Meßgröße repräsentierenden Signal ein das optische Übertragungsmaß im gleichen Meßkanal repräsentierendes Signal übertragen, so daß empfangsseitig besagte Normalisierung einfach vorgenommen werden kann; selbstverständlich ist bei anderer Anschlußweise der Sensoren 11 bis 18 auch die umgekehrte Reihenfolge möglich. Bei empfangsseitiger Übernahme und Weiterverarbeitung übertragener Meßgrößen durch einen Rechner können mit dieser sendeseitig so modifizierten Anordnung kanalspezifisch systematische Eichfehler kompensiert und damit insbesondere die Lang­ zeitmeßgenauigkeit beträchtlich erhöht werden.

Es versteht sich von selbst, daß je nach Meßaufgabe eine entsprechende Aufteilung der Sensoren auch in mehr als zwei Gruppen, allgemein in k Gruppen, möglich ist, so daß dann eine entsprechende Umschalteinrichtung 235 - in der Art einer Auswahlschaltung - eingangsseitig aus mehr als zwei Sammelleitungen von Lichtempfängern speisbar ist und die Betätigung einer solchen Umschalteinrichtung von den Ausgängen des Zyklus-Zählers 112 aus über eine dem Meß­ zweck bzw. der bevorzugten Sensoranordnung 19 angepaßte Gatteranordnung 171 erfolgen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Verwen­ dung sowohl von optischen Reflexions- als auch Transmis­ sions-Sensoren. Im Falle von Reflexions-Sensoren können sich die Wege sowohl des vorlaufenden als auch rück­ laufenden (reflektierten) Lichtes im gleichen Lichtleiter befinden. In diesem Fall können notwendige Strahlteiler zur Trennung beider Lichtbestandteile im Gehäuse der Akquisitions- und Sendeeinheit untergebracht werden. Vorteilhafterweise wird dann pro Sensor nur eine "ein­ adrige" optische Steckverbindung benötigt, wodurch insbe­ sondere bei rauhem Einsatz die Zuverlässigkeit des Systems noch wesentlich gesteigert werden kann.

Auch im Falle der vorgeschildert ausgebildeten Vorrichtung zur streckenneutralen Meßgrößenerfassung ist dieses Prinzip anwendbar; es können dann jeweils Meßsensor und Referenzsensor funktional zu einem Element verschmelzen.

Claims (28)

1. Vorrichtung zur optoelektronischen Erfassung physikalischer Meßgrößen, mit einer faseroptisch abfragbaren Sensoranordnung, mit wenigstens einer Lichtsender- und Lichtempfängeranordnung und mit einer dieser nachgeschalteten Auswertungselektronik, wobei zur Übertragung sowohl von Anregungslicht zur Sensoranordnung als auch von Meßlicht von der Sensoranordnung ein Lichtleitmittel vorgesehen ist, welches mit vorerwähnter Lichtsender- bzw. Lichtempfängeranordnung in Verbindung steht, und wobei
die Sensoranordnung wenigstens zwei einzelne Sensoren aufweist,
wenigstens einer dieser Sensoren analog wirkt und einer kontinuierlicher Werte fähigen physikalischen Meßgröße eine definierte Lichttransmission oder Lichtreflexion zuordnet,
jeder Sensor über eine erste Lichtleitstrecke mit einem Lichtemitter und über eine zweite Lichtleitstrecke mit einem Lichtempfänger in vorerwähnter Lichtsender- bzw. Lichtempfängeranordnung verbunden ist, wobei jedem Sensor ein bestimmter Lichtemitter und/oder Lichtempfänger zugeordnet ist,
die den einzelnen Sensoren individuell zugeordneten Lichtemitter und/oder Lichtempfänger in zyklischer Reihenfolge nacheinander aktivierbar bzw. an eine Signalleitung (118) anschaltbar sind,
von der Lichtempfängeranordnung in zyklischer Reihenfolge gewonnene Sensorsignale einem A/D-Wandler zuführbar, in digitale Sensorsignale umsetzbar und nach Maßgabe der Wertigkeit ihrer einzelnen Stellen in serielle Impulsfolgen auflösbar sind, und
der Auswertungselektronik eine Übertragungseinrichtung zur seriellen Signalübertragung sowie eine Auswertungsanordnung zur lesbaren Erfassung der einzelnen Meßgrößen nachgeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die seriellen Impulsfolgen in der Auswertungselektronik entsprechend der zeitlichen Abfolge der digitalen Sensorsignale unter Einfügung von deren Zuordnung zu entsprechenden Sensoren ermöglichenden Kennzeichnungsimpulsen (Bits) je zu einem seriellen Puls von "H"- und "L"-Zuständen aneinanderfügbar sind;

• - daß als Kennzeichnungsimpulse wenigstens ein Start- Bit, wenigstens zwei gegenwertige Stop-Bits und wenigstens ein Synchron-Bit Verwendung finden, wobei das Synchron-Bit jeweils nach Abfrage bzw. Übertragung aller Sensordaten auf eine vorbestimmte Wertigkeit setzbar ist;
• - daß die je Sensor übertragene Information die wenigstens vier Kennzeichnungs-Bits und eine Anzahl von m Daten-Bits umfaßt, wobei die Anzahl m der Bit-Auflösung der Binär-Codierung analoger Sensorsignale entspricht;
• - daß dem Synchron-Bit ein Übertragungszyklus zugeordnet ist, in dem anstelle eines Sensorsignals ein Prüfsignal übertragbar ist; und
• - daß bei gestörtem Prüfsignal der zeitliche Abstand wenigstens zweier ansonsten mit größerem Abstand periodisch aufeinanderfolgender Kennzeichnungsimpulse derselben Art verkürzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur seriellen Signalübertragung der Übertragungseinrichtung (158) eine serielle Senderanordnung vor- und eine serielle Empfängeranordnung nachgeschaltet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der jedem einzelnen Sensor ein individuell ansteuerbarer Lichtemitter zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensoren entweder ein einziger oder eine der Sensorzahl entsprechende Anzahl individueller und auf eine gemeinsame Signalleitung (118) parallel wirkender Lichtempfänger (117; 117/1 bis 117/8) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der jedem einzelnen der möglichen Sensoren ein individueller Lichtempfänger zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeder dieser individuellen Lichtempfänger an eine Signalleitung (118) anschaltbar (160) ist, und
• - daß den Sensoren ein gemeinsamer, im wesentlichen dauernd betriebener Lichtemitter (101 a) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die individuelle Ansteuerung in sequentieller Aufeinanderfolge periodisch geschieht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß jeweils k Sensoren (z. B. 11 und 12, 13 und 14, etc. für k=2) gemeinsam wenigstens ein individuell ansteuerbarer Lichtemitter (116/1, 116/2, etc.) zugeordnet ist,
• - daß der Gesamtzahl von Sensoren entweder k einzelne Lichtempfänger oder k Gruppen von jeweils parallel wirkenden Lichtempfängern zugeordnet sind, und
• - daß die k Lichtempfänger bzw. k Gruppen von Lichtempfängern ausgangsseitig an k Signalleitungen (z. B. 118 M, 118 R für k=2) angeschlossen sind, welche nach Maßgabe der zyklischen Ansteuerung einer Auswahl- bzw. Umschaltfunktion (166) an besagte Signalleitung (118) anschaltbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß besagte serielle Senderanordnung (124) einen optoelektronischen Emitter,
• - daß besagte serielle Übertragungseinrichtung (158) einen Lichtwellenleiter, und
• - daß besagte serielle Empfängeranordnung (210) einen optoelektronischen Empfänger in Form eines lichtempfindlichen Halbleiterbauelementes umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß besagte serielle Senderanordnung (124) einen elektrischen Leitungstreiber,
• - daß besagte serielle Übertragungseinrichtung (158) eine elektrische Verbindungsleitung, und
• - daß besagte serielle Empfängeranordnung (210) einen elektrischen Leitungsempfänger

umfaßt, wobei Leitungstreiber und Leitungsempfänger monolithische Halbleiterbauelemente sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß besagte serielle Senderanordnung (124) einen modulierbaren oder tastbaren Hochfrequenzsender,
• - daß besagte serielle Übertragungseinrichtung (158) Mittel zur Abgabe und Aufnahme von elektromagnetischen Wellen und
• - daß besagte serielle Empfängeranordnung (210) einen Hochfrequenzempfänger mit Demodulator umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bestandteile vorgesehen sind:

• - ein Taktgenerator (110);
• -ein erster Ringzähler (111) mit Takteingang (130), Reset-Eingang (133) und mit (m+4) Zählstufen und (m+4) Ausgängen (132);
• - ein zweiter Ringzähler (112) mit Takteingang (135), Reset-Eingang (152) und mit n Zählstufen und n Ausgängen (141);
• - der Analog/Digitalwandler (120) mit einer Wandlungsbreite von m Bits und m parallelen Ausgängen (154) und mit einem Steuereingang (137) zur Auslösung der A/D-Wandlung und
• - ein Schieberegister (122) mit (m+1) Stufen und mit einem Takteingang (131), einem seriellen Eingang (145) und (m+1) parallelen Eingängen (155), einem seriellen Ausgang (148) und einem Steuereingang (139) zur Auslösung des Parallelüberschreibens des Registerinhalts,

wobei die vorerwähnten Bestandteile wie folgt mit einander verbunden sind:

• - der Taktgenerator (110) mit Takteingängen (130, 131) des ersten Ringzählers (111) und des Schieberegisters (122);
• - der LSB-Ausgang (132/ Q 0) des ersten Ringzählers (111) mit dem Takteingang (135) des zweiten Ringzählers (112);
• - der Ausgang Q 1 des ersten Ringzählers (111) mit dem Steuereingang (137) des A/D-Wandlers (120);
• - der Ausgang Q 3 des ersten Ringzählers (111) mit dem Steuereingang (139) zur Auslösung des Parallelüberschreibens des Inhalts des Schieberegisters (122);
• - parallele Eingänge PD 1 bis PDm (155) des Schieberegisters (122) mit Ausgängen (154) des A/D-Wandlers (120);
• - der parallele Eingang PD 0 des Schieberegisters (122) mit einem festen logischen Potential;
• - der Ausgang Q 4 des ersten Ringzählers (111) mit dem ersten Eingang eines ersten UND-Gatters (126);
• - der Ausgang des ersten UND-Gatters (126) und Ausgänge Q 5 bis Q 10 des ersten Ringzählers (111) mit individuellen Eingängen eines ODER-Gatters (125);
• - der Ausgang Q 0 des zweiten Ringzählers (112) mit dem zweiten Eingang des ersten UND-Gatters (126) und dem ersten Eingang (147) eines zweiten UND-Gatters (127);
• - der Ausgang des ODER-Gatters (125) mit dem seriellen Eingang (145) des Schieberegisters (122) und dem zweiten Eingang des zweiten UND-Gatters (127);
• - der Ausgang des zweiten UND-Gatters (127) mit dem ersten Eingang (149) eines dritten UND-Gatters (128);
• - der zweite Eingang (150) des dritten UND-Gatters (128) mit dem seriellen Ausgang (148) des Schieberegisters (122);
• - der Ausgang des dritten UND-Gatters (128) mit Reset-Eingängen (133, 152) der Zähler (111, 112);
• - der serielle Ausgang (148) des Schieberegisters (122) mit dem Eingang der seriellen Sendeanordnung (123, 124),

und wobei von (n-1) Ausgängen besagten zweiten Ringzählers (112) (n-1) in den A/D-Wandler einlesbare analoge Sensorsignale auswählbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Auswahl der (n-1) in den A/D-Wandler (120) einlesbaren analogen Sensorsignale ein Vielfach-Analogschalter (160) mit wenigstens (n-1) auf einen Ausgang (161) wirkenden Schaltstrecken (160/1, 160/2, etc.) vorgesehen ist, und
• - daß besagte (n-1) Schaltstrecken mit jeweils zugeordneten (171) Ausgängen (141) besagten zweiten Ringzählers (112) verbunden und somit nach Maßgabe dessen fortschreitenden Zählerstandes in zyklischer Aufeinanderfolge einschaltbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zur Auswahl von (n-1) in den A/D-Wandler (120) einlesbaren analogen Sensorsignale noch folgende Bestandteile vorgesehen sind;
• - eine Auswahlgatteranordnung (171) mit wenigstens (n-1)/2 Eingängen und wenigstens einem Ausgang;
• - eine Treiberschaltung (114 a) mit wenigstens (n-1)/k Endstufen (114/1, 114/2, etc.) mit k = 2, 3, . . . ;
• - (n-1)/k ODER-Verknüpfungen (162, 163, etc.) mit k Eingängen, welche den Endstufen vorgeschaltet sind und deren k Eingänge mit jeweils aufeinanderfolgendenden n-1 Ausgängen (141) des Ringzählers (112) verbunden sind;
• - die Lichtsenderanordnung (101) mit wenigstens (n-1)/k voneinander unabhängig ansteuerbaren Lichtemittern, so daß jeder Ansteuerzweig k Sensoren mit Licht zu beaufschlagen vermag;
• - wenigstens k Lichtempfänger, die Sensorsignale an k Ausgängen bereitstellen;
• - eine analoge Schalt- oder Auswahleinrichtung (166) mit k Signaleingängen (118 M, 118 R, etc.), einem Signalausgang (118) und wenigstens einem Umschalt- bzw. Steuereingang,

wobei letzterer mit dem wenigstens einen Ausgang der vorerwähnten Auswahlgatteranordnung (171) verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Auswertungsanordnung Mittel beinhaltet, welche die Zuordnung jeweils einer festen Anzahl von Signal-Bits zu Sensornummern erlauben.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungsanordnung folgende Bestandteile umfaßt:

• - einen seriellen Datenempfänger (201);
• - eine Taktsignalquelle (217 a) zur Abgabe zweier Taktsignale mit ganzzahlig sich voneinander unterscheidenden, phasenstarr miteinander verketteten Taktfrequenzen;
• - einen UART-Baustein (214) mit Takteingang (216), seriellem Dateneingang (215) und (m+1) parallelen Datenausgängen (218);
• - einen weiteren 1-aus-n-Ringzähler (222) mit Takteingang (224), Rücksetzeingang (223) und n Ausgängen (226),

und wobei diese Bestandteile wie folgt miteinander verbunden sind:

• - der niederfrequente Taktausgang der Taktsignalquelle (217 a) mit dem Takteingang (224) des 1-aus-n-Ringzählers (222);
• - der hochfrequente Taktausgang der Taktsignalquelle (217 a) mit dem Takteingang (216) des UART-Bausteins (214);
• - der Ausgang des seriellen Datenempfängers (201) mit dem seriellen Dateneingang (215) des UART-Bausteins (214);
• - der Ausgang Q 0 der parallelen Datenausgänge (218) des UART-Bausteins (214) mit dem Rücksetzeingang (223) des 1-aus-n-Ringzählers (222);
• - die m übrigen der parallelen Datenausgänge (218) des UART-Bausteins (214) mit einer ersten Ausleseeinrichtung (220);
• - die n Ausgänge (226) des 1-aus-n-Ringzählers (222) mit einer zweiten Ausleseeinrichtung (228).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Taktsignalquelle (217 a) einen weiteren Taktgenerator (217) und einem nachgeschalteten Frequenzteiler (225) umfaßt, und
• - daß der Taktgenerator (217) mit dem Takteingang (216) des UART-Bausteins (214) verbunden ist, und
• - daß der Ausgang des nachgeschalteten Frequenzteilers (225) mit dem Takteingang (224) des 1-aus-n-Zählers (222) verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Taktsignalquelle (217 a) einen weiteren Taktgenerator (217) und eine PLL-Regelschleife umfaßt, welche aus einem Frequenzteiler (225), einem spannungsgesteuerten Oszillator (VC 0, 225/1), einem Phasenkomparator (225/2) und einen Tiefpaß (225/3) besteht, wobei
• - der VC 0 mit dem Eingang des Frequenzteilers (225) und mit dem Takteingang (216) des UART-Bausteins verbunden ist;
• - der Taktgenerator (217) mit dem ersten Eingang des Phasenkomparators (225/2) und dem Takteingang (224) des 1-aus-n-Ringzählers (222) verbunden ist;
• - der Ausgang des Frequenzzählers 225 mit dem zweiten Eingang des Phasenkomparators (225/2) verbunden ist, und
• - der Ausgang des Phasenkomparators (225/2) über den Tiefpaß (225/3) mit dem VC 0 verbunden ist, so daß dessen Frequenz auf die um den Teilfaktor des Frequenzteilers (225) vervielfachte Frequenz des Taktgenerators (217) rastbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Mittel vorhanden sind, welche durch Auswertung der höchsten Bitwechselfrequenz am Ausgang des seriellen Datenempfängers (201) eine Synchronisation des weiteren (zweiten) Taktgenerators (217) auf die Taktfrequenz des ersten Taktgenerators (110) erlauben.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß besagte weitere Mittel einen weiteren Phasenregelkreis (PLL) enthalten.

19. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Auswertungsanordnung Mittel (220, 228) umfaßt, welche jeweils eine feste Anzahl von Signal-Bits mit zugeordneten Sensornummern auf ein Bus-System eines Rechners zu übertragen erlauben.

20. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Sensoren und Lichtleitstrecken mittels optischer Steckverbindungen mit beliebiger Konfiguration und Austauschbarkeit an die Lichtsender- und Lichtempfängeranordnung anschließbar sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Lichtleitstrecken (21 und 31, 22 und 32, etc.) in einkörperlichen Lichtleitern ausgebildet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei einzelne Sensoren ein einkörperliches Gebilde darstellen und erste und zweite Lichtstrecken je paarweise (21, 22 und 31, 32, etc.) in einkörperlichen Lichtleitern ausgebildet sind.

23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prüfsignal ein Dunkelsignal ist.