DE4123489C2 - Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung mittels Lichtenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung mittels Lichtwellenleiter, bei der eine Sensoreinheit mit einer Lichtwellenleiter- Energieversorgungsleitung versehen ist und zur seriellen Datenübertragung mittels Lichtwellenleiter-Datenleitung an eine Datenverwerteinrichtung angeschlossen ist, bei der die Sensoreinheit einen elektrischen Meßwertaufnehmer aufweist, der auf die Datenleitung arbeitet, und die Energieversorgungsleitung von einer Lichtenergiequelle gespeist ist, und bei der die Energieversorgungsleitung in der Sensoreinheit einem optisch-elektrischen Energiewandler, der den Meßwertaufnehmer versorgt, zugeordnet ist und der Meßwertaufnehmer über eine Aufbereitungselektronik auf eine elektrisch-optische Dateneinrichtung arbeitet, an welche die Datenleitung angeschlossen ist, die in der Datenverwerteinrichtung an einen optisch-elektrischen Datenwandler angeschlossen ist.

Bei einer bekannten (DE-PS 31 38 073) Vorrichtung dieser Art ist die Energieversorgungseinrichtung an ein Strahlteilerelement geführt, so daß nur ein Teil der zugeführten Lichtenergie zum Verbrauch im Meßwertaufnehmer und in der Aufbereitungselektronik zur Verfügung steht. Der andere Teil der zugeführten Lichtenergie wird über einen zusätzlichen Lichtwellenleiter einem transmissiven elektro-optischen Modulator zugeführt, der diesen anderen Teil der zugeführten Lichtenergie nach Modulation mittels der Datensignale über die Datenleitung abgibt. Der durch den zusätzlichen Strahlteiler bedingte Aufwand ist beachtlich, wobei der Strahlteiler aber wegen des Einsatzes des transmissiven Modulators nötig ist. Für die Steuerung des transmissiven Modulators sind auch relativ viel Steuerstrom und Steuerleistung nötig. Die vom Strahlteiler über den Lichtwellenleiter abgegebene Lichtenergie wird zu einem erheblichen Teil in dem transmissiven Modulator verbraucht, so daß in der Sensoreinheit um die Transmissionsdämpfung geschwächte Lichtenergie zur Verfügung steht. Es gibt nun zum Beispiel Anwendungsfälle, bei denen die der Signalaufnahme dienende Sensoreinheit auch Signale abgeben soll. Derartiges ist bezüglich der bekannten Vorrichtung nicht erwähnt, da dort die Sensoreinheit nur zur Aufnahme einer Meßgröße ausgebildet und vorgesehen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher für die Sensoreinheit, der Bauaufwand und der Energieaufwand für die Umsetzung der elektrischen Datensignale in die optischen Datensignale erheblich vermindert ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungsleitung an den optisch-elektrischen Energiewandler der Sensoreinheit angeschlossen ist und daß die elektrisch-optische Dateneinrichtung der Sensoreinheit ein Datenwandler in Form einer steuerbaren Diode, die im µA-Bereich arbeitet, oder ein Licht reflektierender LCD-Verschluß, der nahezu leistungslos gesteuert wird, ist, wobei der Meßwertaufnehmer ein intelligenter Sensor mit eingebautem Prozessor ist und einen zusätzlichen Funktionsausgang aufweist.

Die Erfindung setzt wahlweise zwei ganz besondere Einrichtungen für die Umsetzung der elektrischen Datensignale in optische Datensignale ein. Hierdurch ist der mit einem Strahlteilerelement verbundene Bauaufwand erheblich vermindert. Insbesondere aber sind der Strom und die Energie, die in der Sensoreinheit für die Umsetzung der elektrischen Datensignale in die optischen Datensignale nötig sind, ganz erheblich vermindert. Es steht also von der der Sensoreinheit zugeführten Lichtenergie ein erheblich vergrößerter Anteil für andere Verwendungsmöglichkeiten zur Verfügung. Zum Beispiel ist es jetzt möglich, auch Signale von der Sensoreinheit abzugeben.

Bei der vorliegenden Vorrichtung ist die Sensoreinheit ausschließlich über Lichtwellenleiter mit der Außenwelt verbunden, da der Energieversorgungsleiter und der Datenleiter als Lichtwellenleiter ausgebildet sind. Es erfolgen die Energieversorgung und die Datenübertragung über Lichtwellenleiter, so daß elektrische Kurzschlüsse auch in rauher Umgebung weder hinsichtlich der Energieversorgung noch hinsichtlich der Datenübertragung auftreten können. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Lichtwellenleiters ist eine hohe Störsicherheit gegen umgebende Störfelder gegeben; ein weiterer Vorteil ist die beim Lichtwellenleiter gegebene galvanische Trennung zwischen Sensoreinheit und Auswerteeinheit. Die Sensoreinheit ist ohne eigene Energieversorgung (z. B. auch ohne Batterie). Unter "Licht" versteht sich im Rahmen der Erfindung auch die UV- und IR-Strahlung oder allgemein elektromagnetische Strahlung.

Der Meßwertaufnehmer ist ein Sensor oder auch z. B. eine Tastatur bzw. ein Bedienfeld mit Sensorelektronik bzw. Bedienfeld-Elektronik. Als Meßwertaufnehmer kann z. B. ein Temperaturfühler vorgesehen sein oder ein anderer einfacher Sensor, der eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Als Meßwertaufnehmer ist der intelligente Sensor mit eingebautem Prozessor vorgesehen, welcher verschiedene aufgenommene Größen zu einer Folge von Daten bzw. Signalen verarbeiten. Die dem Meßwertaufnehmer zugeführte Leistung liegt im µW-Bereich und beträgt z. B. von 5-50 µW, d. h. der dem Meßwertaufnehmer zuzuführende Strom liegt im µA-Bereich. Die Aufbereitungselektronik ist von herkömmlicher Bauart. Sie besteht z. B. aus einem dem Meßsignal entsprechenden geeigneten Umformer und einem den nachfolgenden Einrichtungen entsprechenden Codierer, z. B. Manchester-Code-Codierer. In der Aufbereitungselektronik kann auch eine Vorverarbeitung des Meßsignals stattfinden. Die Aufbereitungselektronik wandelt das, was vom Meßwertaufnehmer abgegeben wird, so um, daß es vom Datenwandler angenommen werden kann.

Wenn der elektrisch-optische Datenwandler in der Sensoreinheit von einer steuerbaren LED-Diode gebildet ist, werden die Daten, d. h. Information mit geringem Leistungsbedarf übertragen, da bestimmte Fotodioden schon im µA-Bereich zuverlässig arbeiten. Solche Fotodioden sind preiswert erhältlich. Wegen der geringeren Sendeleistung ist die erreichbare Entfernung relativ gering, d. h. die mögliche Länge des Datenleiters beträgt einige 10 m. Unter "Diode", z. B. "Leuchtdiode" kann auch eine parallele oder serielle Kombination von einzelnen Dioden, z. B. Leuchtdioden, zu verstehen sein.

In der Regel ist der optisch-elektrische Datenwandler der Datenverwerteinrichtung eine Empfangsdiode und ist die Lichtenergiequelle eine Leuchtdiode. Die Empfangsdiode gibt die Daten als elektrische Signale an die Meßsignalauswerteinrichtung weiter. Diese weist in der Regel einen Verstärker und eine Wandlungselektronik auf, die z. B. ein Manchester-Code-Demodulator ist. Die Wandlungselektronik arbeitet z. B. auf einer übergeordneten Steuereinheit, welche die von der Sensoreinheit abgegebenen Daten weiterverarbeitet.

Der LCD-Verschluß (LCD=liquid cristal display) ist ein passives Element. Die Lichtleistung für die Datenübertragung wird von der Datenverwerteinrichtung bereitgestellt. Mit damit möglichen größeren Sendeleistungen sind größere Entfernungen, d. h. größere Längen des Datenleiters möglich. Zusätzlich zu dem LCD-Verschluß ist in der Datenverwerteinrichtung eine Lichtquelle für die Bestrahlung des Daten-Lichtwellenleiters erforderlich. In der Sensoreinheit wird die Dateninformation durch Modulation des Lichtes mit einem LCD-Verschluß durchgeführt. LCD-Verschlüsse weisen Schaltzeichen im µsec-Bereich auf. Da die aktive Fläche des LCD-Verschlusses nur aus einem Punktfleck von ca. einem Quadratmillimeter besteht, sind die Herstellungskosten niedrig. Der LCD-Verschluß ist am Ende des Daten-Lichtwellenleiters in der Sensoreinheit angeordnet. Nahezu leistungslos wird die Stirnfläche des Daten-Lichtwellenleiters hell (d. h. reflektierend) bzw. dunkel (d. h. absorbierend) gesteuert. Dabei ist es besonders zweckmäßig und vorteilhaft, wenn für das Licht des LCD-Verschlusses entweder eine eigene Lichtquelle vorgesehen ist oder eine Einkoppelung von der Lichtenergiequelle in die Lichtwellenleiter-Datenleitung vorgesehen ist.

Der Lichtenergiequelle ist eine Lichtquelle für die Bestrahlung zugeordnet. Die Lichtenergiequelle ist z. B. ein LED-Element mit gutem Wirkungsgrad und mit guter Spektralanpassung an den Spektralbereich des optoelektrischen Wandlers. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Lichtenergiequelle eine LED-Diode auf der Baisis von z. B. Gallium-Arsenid ist. Hier liegen nahezu ideale Spektralanpassung und guter Wirkungsgrad vor.

Im einfachsten Fall wird über den Energieversorgungs-Lichtwellenleiter nur Lichtenergie zum Meßwertaufnehmer übertragen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn der empfangene Energiewandler der Sensoreinheit zugleich als Datensender vorgesehen ist, daß der empfangende Datenwandler der Datenverwerteinrichtung zugleich als Energiesender vorgesehen ist und daß Energie- und Datenübertragung im Zeitmultiplex über einen einzigen Energieversorgungs/Daten-Lichtwellenleiter vorgesehen ist. Es werden dem Energieversorgungs-Lichtstrahl Informationen bzw. Daten aufmoduliert, die in der Sensoreinheit verwertet werden. Es liegt ein bidirektionaler Betrieb vor. Die "zurückgemeldete" Information informiert z. B. auf der Seite der Sensoreinheit über den Ablauf eines von der Datenverwerteinrichtung in Gang gesetzten Prozesses.

Auch der Daten-Lichtwellenleiter wird im einfachsten Fall nur in Richtung zur Datenverwerteinrichtung betrieben. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn in der Datenverarbeitungseinrichtung die Lichtenergiequelle zusätzlich als Datensender vorgesehen ist und der Datenwandler der Sensoreinheit zusätzlich als Datenempfänger vorgesehen ist und eine Dekodiereinrichtung für diese Daten aufweist, die u. a. einer Funktionsanzeige des Meßwertaufnehmers zugeführt sind, wobei ein bidrektionaler Betrieb zwischen Sensoreinheit und Datenverwerteinrichtung vorgesehen ist. Der Daten-Lichtwellenleiter wird auch zur Übertragung von Signalen bzw. Daten bzw. Informationen in Richtung zur Sensoreinheit benutzt. Es liegt damit ein bidirektionaler Betrieb vor. Die "zurückgemeldeten" Signale informieren z. B. auf der Seite der Sensoreinheit über den Ablauf eines von der Zentralelektronik in Gang gesetzten Prozesses.

Als Lichtwellenleiter für die Energie und die Daten sind solche aus Kunststoff und solche aus Glasfaserbündeln geeignet. Es werden Lichtwellenleiter mit ausreichend großem Querschnitt verwendet, um geringe Einkoppelverluste zu erzielen. Es ist möglich, den Daten-Lichtwellenleiter und den Energieversorgungs-Lichtwellenleiter nicht gesondert voneinander vorzusehen, sondern als einheitlichen Leiter. Dabei ist an der Speisestelle ein Y-Koppler vorzusehen.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn der Daten-Lichtwellenleiter und der Energie-Lichtwellenleiter von großer Flexibilität sind. Dies läßt es nicht nur zu, die Lichtwellenleiter mit stark gekrümmtem Verlauf zu verlegen. Die ausgeprägte, dauerhafte Biegbarkeit läßt es auch zu, häufige Bewegungen zwischen der Datensendeeinrichtung und der Datenverwerteinrichtung vorzusehen oder die Lichtwellenleiter an einer Stelle einer häufig hin- und hergehenden Biegebeanspruchung zu unterwerfen.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn der Daten-Lichtwellenleiter und der Energieversorgungs-Lichtwellenleiter jeweils beiderends an wasserdichten Lichtwellenleiter-Steckverbindungen enden. Solche Steckverbindungen sind korro­ sionsfrei und besonders bei hoher Luftfeuchtigkeit und unter Wasser geeignet. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Lichtwellenleiters kann die Sensoreinheit auch in stark explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden.

Es gibt viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn der Energie-Lichtwellenleiter und der Daten-Lichtwellenleiter in einem Raum hoher Luftfeuchtigkeit oder in einem mit Wasser gefüllten Raum oder in einem Umfeld mit hoher elektromagnetischer Störbeeinflussung verlaufen. Die Gefahr von durch Isolationsschäden bedingten Kurzschlüssen ist vermieden, ebenso die Möglichkeit der Einkopplung von Störsignalen durch umgebende elektromagnetische Störfelder. Auch ist eine vorteilhafte Anwendung gegeben in explosionsgefährdeter Umgebung, da jedwede Funkenbildung ausgeschlossen ist.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zeigen

Fig. 1 und 2 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer ersten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung,

Fig. 3 und 4 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer zweiten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung und

Fig. 5 und 6 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer dritten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung.

Die Sensorheinheit 1 der Vorrichtungen gemäß Zeichnung umfaßt jeweils einen Meßwertaufnehmer 2 in Form eines Sensors oder eines Tastenfeldes, der über elektrische Leitungen 3 Daten abgibt und einer Aufbereitungselektronik 4 zuführt, welche die Daten aus der vom Meßwertaufnehmer 2 abgegebenen Form in eine für die weitere Übertragung geeignete Form umsetzt. Der Eingang 31 des Meßwertaufnehmers 2 ist durch einen Pfeil angedeutet und auch eine Funktionsanzeige 32 des Meßwertaufnehmers ist durch einen Pfeil angedeutet. Die Aufbereitungselektronik 4 gibt die Daten seriell über eine elektrische Leitung 5 an einen elektrisch- optischen Datenwandler 6 weiter, an den über eine Steckverbin­ dung 7 ein ummantelter Daten-Lichtwellenleiter 8 angeschlossen ist. über den Daten-Lichtwellenleiter 8 gelangen die Daten zur Datenverwerteinrichtung 9, wobei der Daten-Lichtwellenleiter 8 über eine Steckverbindung 7 an einen optisch-elektrischen Da­ tenwandler 10 angeschlossen ist, der über eine elektrische Lei­ tung 11 an einen Meßsignalaufbereiter 12 angeschlossen ist.

Der Meßsignalaufbereiter 12 umfaßt einen Verstärker 13, einen Taktgeber 14 und eine Wandlungselektronik 15, die über elektri­ sche Leitungen miteinander verbunden sind. Über geeignete Schnittstellen 16 können die Meßsignale weiter verarbeitet wer­ den. An der Schnittstelle 16 kann die Datenverwerteinrichtung entsprechend einen Pfeil 24 auch Signale bzw. Information empfangen bzw. aufnehmen. In der Datenverwerteinrichtung 9 ist eine Lichtenergiequelle 17 vorgesehen, der gemäß Fig. 1-4 über eine elektrische Leitung 18 ein Dioden-Treiber 19 vorgeordnet ist. An die Lichtenergiequelle 17 ist mittels einer Steckver­ bindung 7 ein ummantelter Energie-Lichtwellenleiter 20 ange­ schlossen, der hinüber zur Sensoreinheit 1 führt und dort mit­ tels einer Steckverbindung an einen optisch-elektrischen Ener­ giewandler 21 angeschlossen ist. Der Energiewandler 21 speist über eine elektrische Leitung 22 den Meßwertaufnehmer 2 und gegebenfalls die Funktionsanzeige und über eine elektrische Leitung 23 die Aufbereitungselektronik 4.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 wird im einfachsten Fall so betrieben, daß über den Energieversorgungs-Lichtwellenleiter 20 nur Energie zur Sensoreinheit 1 übertragen wird. Es ist auch möglich, zwischen der Schnittstelle 16 und der Lichtenergiequel­ le 17 eine zusätzliche elektrische Leitung 25 vorzusehen, die in der Zeichnung gestrichelt gezeigt ist, um über den Ener­ gieversorgungs-Lichtwellenleiter 20 zusätzlich Daten von der Datenverwerteinrichtung 9 zu der Sensoreinheit 1 zu übertragen. Diese zusätzliche Leitung 25 läßt sich auch bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3 und 4 vorsehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist zusätzlich eine elektrische Leitung 26 zwischen der Schnittstelle 16 und dem Datenwandler 10 vorgesehen. Es lassen sich Daten bzw. Informationen in elektrischer Form diesem Wandler 10 zuführen, der nun "umgekehrt" betrieben wird, um die Daten bzw. Informationen in optischer Form über den Lichtwellen­ leiter 8 zu der Sensoreinheit 1 zu übertragen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 ist in der Datenver­ werteinrichtung 9 eine zusätzliche Lichtquelle 27 vorgesehen, die über ein Gabelstück 28 an den Daten-Lichtwellenleiter 8 an­ geschlossen ist und die dazu dient, dem als Modulator ausgebil­ deten Datenwandler 6 Licht zuzuführen. Die zusätzliche Licht­ quelle 27 ist über eine elektrische Leitung 29 angesteuert. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 dient derselbe Licht­ wellenleiter 8/20 sowohl der Datenübertragung als auch der Ener­ gieübertragung. Der Wandler 10 wird von der Schnittstelle 16 her über eine elektrische Leitung 30 angesteuert und dient gleich­ zeitig als Lichtenergiequelle 17.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Daten- und Energieübertragung mittels Lichtwellenleiter,
bei der eine Sensoreinheit mit einer Lichtwellenleiter-Energieversorgungsleitung versehen ist und zur seriellen Datenübertragung mittels Lichtwellenleiter-Datenleitung an eine Datenverwerteinrichtung angeschlossen ist,
bei der die Sensoreinheit einen elektrischen Meßwertaufnehmer aufweist, der auf die Datenleitung arbeitet, die Engeriever­ sorgungsleitung von einer Lichtenergiequelle gespeist ist, und bei der die Energieversorgungsleitung in der Sensoreinheit einem optisch-elektrischen Energiewandler, der den Meßwertaufnehmer versorgt, zugeordnet ist und der Meßwertaufnehmer über eine Aufbereitungselektronik auf eine elektrisch-optische Dateneinrichtung arbeitet, an welche die Datenleitung angeschlossen ist, die in der Datenverwerteinrichtung an einen optisch-elektrischen Datenwandler angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Energieversorgungsleitung (20) an den optisch-elektrischen Energiewandler (21 bzw. 6) der Sensoreinheit (1) angeschlossen ist und daß die elektrisch-optische Dateneinrichtung der Sensoreinheit (1) ein Datenwandler (6) in Form einer steuerbaren Diode, die im µA-Bereich arbeitet, oder ein Licht reflektierender LCD-Verschluß, der nahezu leistungslos gesteuert wird, ist
wobei der Meßwertaufnehmer (2) ein intelligenter Sensor mit eingebautem Prozessor ist und einen zusätzlichen Funktionsausgang (32) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch-elektrische Datenwandler (10) der Datenverwerteinrichtung (9) eine Empfangsdiode ist und die Lichtenergiequelle (17) eine Leuchtdiode ist. (Fig. 1 und 2)

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Licht des LCD-Verschlusses entweder eine eigene Lichtquelle (27) vorgesehen ist oder eine Einkoppelung von der Lichtenergiequelle (17) in die Lichtwellenleiter-Datenleitung (8) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der empfangende Energiewandler (21 bzw. 6) der Sensoreinheit (1) zugleich als Datensender vorgesehen ist, daß der empfangende Datenwandler (10, 19) der Datenverwerteinrichtung (9) zugleich als Energiesender vorgesehen ist und daß Energie- und Datenübertragung im Zeitmultiplex über einen einzigen Energieversorgungs/Daten- Lichtwellenleiter (20/8) vorgesehen ist. (Fig. 5 und 6)

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenverwerteinrichtung (9) die Lichtenergiequelle (17) zusätzlich als Datensender vorgesehen ist und der Datenwandler (21) der Sensoreinheit (1) zusätzlich als Datenempfänger vorgesehen ist und eine Dekodiereinrichtung für diese Daten aufweist, die u. a. einer Funktionsanzeige des Meßwertaufnehmers (2) zugeführt sind, wobei ein bidirektionaler Betrieb zwischen Sensoreinheit (1) und Datenverwert­ einrichtung (9) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Daten-Lichtwellenleiter (8) und der Energie-Lichtwellenleiter (20) von großer Flexibilität sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Daten-Lichtwellenleiter (8) und der Energie-Lichtwellenleiter (20) jeweils beiderends an wasserdichten Lichtwellenleiter-Steckverbindungen (7) enden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie-Lichtwellenleiter (20) und der Daten-Lichtwellenleiter (8) in einem Raum hoher Luftfeuchtigkeit oder in einem mit Wasser gefüllten Raum oder in einem Umfeld mit hoher elektromagnetischer Störbeeinflussung verlaufen.