DE4237311C1 - Aus einem Sender und einem Empfänger bestehende Einrichtung zum Erfassen von Gegenständen - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung P 42 28 112.1-52) ist eine aus einem Sender und einem Empfänger bestehende Einrichtung zum Erfassen von Gegenständen, bei der das Empfangssignal wenigstens einem Komparator zuge­ führt wird, der das Empfangssignal jeweils hinsichtlich seiner Ein- und Aus­ schaltbedingung sowie bezüglich der Signalreserve überprüft, wobei der Ausgang des Komparators an einen Signaleingang eines nach seiner Aktivierung Sen­ deimpulse erzeugenden Microcontrollers angeschlossen ist und die Ver­ gleichsspannungen über mit einem Eingang des Komparators verbundene und von korrespondierenden Schaltausgängen des Microcontrollers aktivierte Wider­ stände erzeugt werden.

In der DE 40 31 142 A1 ist eine optische Sensoranordnung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb zur Feststellung von in einem Überwachungsbereich vorhande­ nen Gegenständen beschrieben. Die optische Sensoranordnung weist einen Licht­ sendeimpulse aussendenden Lichtsender sowie einen Lichtempfänger mit einer Empfangssignalverarbeitungsstufe auf. Bei Anwesenheit eines Gegenstandes ge­ langt vom Lichtsender über den Gegenstand so viel Licht auf den Lichtempfän­ ger, daß die Ansprechschwelle einer an den Lichtempfänger angeschlossenen Empfangssignalverarbeitungsstufe überschritten wird und diese ein Gegenstands- Feststellungssignal abgibt.

Zur Unterdrückung von Störsignalen weist die optische Sensoranordnung einen Umschalter und eine Störfeststellungsstufe auf. Der Umschalter weist zwei Schaltzustände auf, wobei in einem Schaltzustand nur die Störfeststellungsstufe nicht jedoch die Empfangssignalverarbeitungsstufe an den Lichtempfänger ange­ schlossen ist und im zweiten Schaltzustand die Empfangssignalverarbeitungsstufe nicht jedoch die Störfeststellungsstufe an den Lichtempfänger angeschlossen ist.

Der erste Schaltzustand ist im wesentlichen in den Pausen zwischen zwei Licht­ sendeimpulsen realisiert, der zweite Schaltzustand dagegen während der Aussen­ dung von Lichtsendeimpulsen.

Während der Pausen zwischen zwei Lichtsendeimpulsen werden in der Störfest­ stellungsstufe eventuell auftretende Störsignale hinsichtlich ihrer Amplitude, Dauer und Frequenz untersucht. Die Ergebnisse werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu berechnen, mit der innerhalb eines bestimmten Zeitinter­ valls keine weiteren Störsignale auftreten werden.

Bei Feststellung eines veränderlichen Störsignals in einer Pause wird die Aussen­ dung des nächsten Lichtsendeimpulses zeitlich soweit verschoben, daß bei Aus­ sendung des nächsten Lichtsendeimpulses das Störsignal zumindest mit einer be­ stimmten Wahrscheinlichkeit bis unter die Ansprechschwelle der Empfangssig­ nalverarbeitungsstufe abgesunken ist.

Die mit diesem Verfahren arbeitende optische Sensoranordnung wird bei solchen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt, bei denen eine Nichterfassung eines durch den Überwachungsbereich geführten Gegenstands unproblematisch ist, also bei­ spielsweise keinen Gefahrenzustand nach sich zieht, auf keinen Fall aber die Anwesenheit eines Gegenstands im Überwachungsbereich signalisiert werden darf, wenn ein solcher dort nicht vorhanden ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, daß zur Feststellung der Störsignale eine aufwendige elektronische Schaltung notwendig ist. Zudem erfordert die Auswertung der Störsignale einen erheblichen Rechenaufwand.

In der DE 90 10 988 U1 ist eine Komparatorschaltung zur Auswertung der Hell/ Dunkelsignale einer Lichtschranke beschrieben. Die Lichtschranke weist einen lichtempfindlichen Empfänger mit einem Komparator auf, der das Ausgangssig­ nal des Empfängers mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht. Der Schwellwert definiert den Schaltpunkt der Lichtschranke bei der Hell/ Dunkel­ umschaltung.

Zur Kompensation von internen oder externen Störungen sind zwei weitere Komparatoren vorgesehen, die das Ausgangssignal des Empfängers mit einem oberhalb bzw. unterhalb des Schwellwerts liegenden oberen bzw. unteren Schwellwert vergleichen. Wird der untere Schwellwert unterschritten, so liegt eine interne Störung beispielsweise in Form von verschmutzten Austrittsfenstern der Lichtschranke vor. Wird der obere Schwellwert überschritten, so liegt eben­ falls eine Störung vor, beispielsweise aufgrund der Alterung der Lichtquelle.

Zur Kompensation dieser Störungen wird durch stufiges Verändern eines Widerstands die Helligkeit der Lichtquelle oder der Verstärkungsfaktor des Empfängers nachgeregelt. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß kurzzeitig auftretende Störungen nicht erfaßt werden können.

Der Erfindung liegt in Weiterbildung des Gegenstandes des Hauptpatents die Aufgabe zugrunde, externe und/oder interne Störsignale unwirksam zu machen. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen charakterisiert. Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine qualitative Darstellung von vier abzufragenden Sig­ nalpegeln,

Fig. 2 einen externen Komparator in schaltungstechnischer Zu­ ordnung zu einem Single-chip Microcontroller,

Fig. 3 eine beispielsweise Zuordnung der die Vergleichsspan­ nungen am Komparator aktivierenden Pegel des Micro­ controllers zu den vom Komparator zu testenden Signal­ pegeln,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm für die Ausgänge des Senders und des Komparators.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind dem beispielsweise im Empfänger einer Re­ flexionslichtschranke generierten Empfangssignal U_e vier Signal-Pegel zugeord­ net. Dies sind im einzelnen der Ausschaltpegel A, der Einschaltpegel E, der Reserve-Hysteresepegel RH und der Reservepegel R.

Diese Pegel werden, wie Fig. 2 zeigt, von einem Komparator 10, dessen inver­ tierendem Eingang das Empfangssignal U_e zugeführt wird, in Verbindung mit einem Microcontroller 11 vorzugsweise in Form eines Single-chip-controllers getestet. Dabei ist der Ausgang des an einer Spannung +U_v liegenden Komparators 10 an den bzw. einen Signaleingang 12 des Microcon­ trollers 11 angeschlossen, und mit dem nicht invertierenden Eingang des Kom­ parators 10 sind beim Ausführungsbeispiel drei separate Referenzwiderstände R₁, R₂, R₃ mit unterschiedlichen Widerstandswerten verbunden, die über die kor­ respondierenden Ausgänge H₁, H₂ und H₃ des Microcontrollers 11 aktiviert werden, wodurch sich verschiedene Vergleichsspannungen ergeben.

Die Zuordnung der Signalzustände der Ausgänge H₁, H₂ und H₃ zu den zu te­ stenden Signalpegeln A, E, RH und R ist der Fig. 3 zu entnehmen. Bei einer sehr begrenzten Länge des Sendeimpulses kann mit dieser Beschaltung ein Empfangssignal jeweils nur auf einen der vier genannten Signalpegel getestet werden. Das heißt, die Pegelprüfung erfolgt in diesem Fall seriell. Es besteht je­ doch auch die Möglichkeit, einer quasi-parallelen Auswertung durch Mehrfach­ abfrage während eines Eingangssignals. Die Pegel können auch parallel abge­ prüft werden, beispielsweise mit Hilfe eines zweiten Komparators.

Bei am Aktivierungseingang 13 des Microcontrollers 11 anliegenden Pegel "High" wird am Sender-Ausgang 14 das Sendesignal 15 beispielsweise mit einer Impulslänge τ von einigen Mikrosekunden und einer ca. 30 mal längeren Perio­ dendauer T ausgegeben. Das Sendesignal 15 wird über einen Widerstand 25′ einer LED 25 zugeführt.

An den Ausgang (PIN) 17 des Mikrocontrollers 11 ist eine Lumineszenz-Diode 18 über einen Widerstand 18′ angeschlossen, welche die Betriebsbereitschaft der Reflexionslichtschranke (anliegende Versorgungsspannung) bzw. einer Ultra­ schallschranke anzeigt. Die Farbe der LED 18 ist beispielsweise grün. Den Zu­ stand der Licht- bzw. Überwachungsstrecke indiziert eine LED 19, die über einen Widerstand 19′ an den Ausgang (PIN) 20 des Microcontrollers 11 ange­ schlossen ist und bei unterbrochener Lichtstrecke (kein Signal ) ausgeschaltet ist.

Die bei nicht unterbrochener Lichtstrecke z. B. gelb leuchtende LED 19 blinkt bei einem Empfangssignal ohne Reserve mit einer Frequenz von ca. 10 Hz. Dies bedeutet eine Vorwarnsignalgabe. Je nach Wahl wird nach einem, zwei oder mehr Empfangssignalen ohne Reserve der Kontrollausgang 21 nach ein- oder mehrmaliger Abdunkelung über den Ausgang 22 des Microcontrollers 11 und einen Transistorschalter 23 gesetzt, wodurch eine optische (z. B. höhere Blinkfrequenz) und/oder eine akustische Warnsignalabgabe gegebenenfalls in Verbindung mit einem Abschaltvorgang erfolgt. Sobald ein Signal mit Reserve detektiert wird, wird der Kontrollausgang 21 zurückgesetzt. Der Ausgang Q wird bei Reflexion (freier Lichtweg) durch den Ausgang (PIN) 24 des Micro­ controllers über einen Transistorschalter 25 gesetzt. Der Ausgang Q ist der zu inverse Ausgang.

Das Empfangssignal U_e kann auch an den invertierenden Eingang des Kompara­ tors 10 angelegt und dementsprechend können die Widerstände R_I, R_II, R_III an dessen nicht invertierenden Eingang angeschlossen werden. Hierdurch kehrt sich lediglich die Wirkungsrichtung um.

Wird der Einschaltpegel E beispielsweise von zwei aufeinanderfolgenden Ein­ gangssignalen erfüllt, so wird die Reflexionslichtschranke eingeschaltet. Bei z. B. zwei aufeinanderfolgenden fehlenden Impulsen am Ausgang des Komparators 10 wird die Lichtschranke ausgeschaltet. Nach dem Einschalten der Reflexions­ lichtschranke wird im nächsten Sendezyklus der Reservepegel RS geprüft. Er­ reicht dieser den erforderlichen bzw. vorgegebenen Wert, so erfolgt im nächsten Zyklus die Umschaltung auf den Reserve-Hysterese-Pegel RH und dessen Prü­ fung.

Bei fehlender Signalreserve RS erfolgt das Umschalten auf den Ausschaltpegel A. Ist dieser erfüllt, wird anschließend wieder auf Reserve RS getestet. Bei z. B. dreimaliger Abdunkelung, ohne daß ein Signal mit Reserve aufgetreten ist, wird wie bereits erwähnt worden ist, der Kontrollausgang 21 des Mikrocontrol­ lers 11 aktiv.

Den Ausgängen Q, und 21 kann ein gemeinsamer Kurzschluß-Eingangspin des Mikrocontrollers 11 zugeordnet sein. Ein High-Signal an diesem PIN führt dann zum Abschalten aller drei Ausgänge.

In Fig. 4 sind die Sendesignale 15 und die am Signaleingang 12 des Microcon­ trollers 11 anstehenden Empfangssignale veranschaulicht. Solange die Reflexi­ onslichtschranke fehlerfrei arbeitet, d. h. solange keine internen oder externen Störsignale am Komparator 10 anliegen, werden Sendesignale 15 mit der Im­ pulslänge τ und der Periodendauer T ausgesandt. Jedem Sendeimpuls ist ein Empfangsimpuls des Empfangssignals zugeordnet. Er weist im wesentlichen die­ selbe Periodendauer T wie der Sendeimpuls auf und wird bezüglich des Sende­ impulses mit einer Verzögerungszeit t₁ im Microcontroller 11 registriert. Die Verzögerungszeit t₁ ergibt sich aus den Ansprechzeiten der verwendeten elek­ tronischen Bauelemente.

Ein Störsignal wird im Microcontroller 11 dadurch erkannt, daß es nicht inner­ halb der Verzögerungszeit t₁ sondern mit einer größeren Verzögerung auf einen Sendeimpuls folgt. Die Amplitude des Störsignals ist hierbei unbedeutend.

Ist ein Störsignal vorhanden, so wird im Microcontroller 11 die Aussendung der Sendeimpulse solange unterbrochen, bis das Störsignal am Komparator 10 nicht mehr anliegt. Hierzu wird vorzugsweise der Signaleingang 12 über die Software des Microcontrollers 11 abgefragt.

Sobald das Störsignal am Signaleingang 12 nicht mehr anliegt, erfolgt über die Software des Microcontrollers 11 die Freigabe zur Aussendung von Sendeim­ pulsen. Aufgrund der Ansprechzeiten der verwendeten Bauteile, erfolgt die Aussendung der Sendeimpulse nicht unmittelbar nach Beendigung des Störsig­ nals sondern erst nach einer Verzögerungszeit t₂. Bis zum Auftreten des näch­ sten Störsignals werden Sendeimpulse mit der Periodendauer T und der Im­ pulsdauer τ ausgesandt, wobei auf jeden Sendeimpuls ein Empfangsimpuls mit der Verzögerungszeit t₁ folgt.

Mit dieser Vorrichtung können Störimpulse von beliebiger Dauer (Δt) und Am­ plitude eliminiert werden. Die Störungen können zum einen durch interne Störungen wie beispielsweise Bauteilfehler hervorgerufen werden. Zum anderen können die Störungen auf externen Einflüssen, wie beispielsweise Fremdlicht­ einstrahlung bei Lichtschranken, beruhen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform können mehrere Sensoren zu einer Mehrfachanordnung zur Raumüberwachung zusammengefaßt sein. Für den Fall, daß es sich um optische Sensoren, beispielsweise Lichtschranken handelt, ist die Mehrfachanordnung als Lichtgitter ausgebildet. Die Abstände der einzelnen Sen­ soren sind so gewählt, daß der zu überwachende Raumbereich lückenlos abge­ tastet wird. Hierzu ist es oftmals notwendig, daß die Sensoren in relativ ge­ ringem Abstand zueinander angeordnet sind.

In diesem Fall kann nicht ausgeschlossen werden, daß Signale eines Sensors auch von benachbarten Sensoren empfangen werden. Um derartige Störungen zu vermeiden, werden bei bekannten Lichtgittern die Sensoren über eine externe Steuerung synchronisiert, so daß die Sensoren in bestimmten Zeitintervallen nacheinander aktiviert werden. Dies erfordert jedoch einen erheblichen konstruk­ tiven Aufwand. Bei einem Lichtgitter, das aus den erfindungsgemäßen Sensoren besteht, ist eine externe Synchronisation nicht notwendig, da jeder Sensor eine Einrichtung zur Elimination der Störsignale aufweist. Dadurch ist gewährleistet, daß sich gegenseitig beeinflussende Sensoren nicht gleichzeitig Sendeimpulse aussenden. Dies führt im Ergebnis zu einem asynchronen arbeitenden Lichtgit­ ter. Dies bedeutet zum einen eine erhebliche Einsparung des elektronischen Auf­ wands eines Lichtgitters. Zum anderen können einzelne Sensoren flexibel und zeitsparend zu einem Lichtgitter kombiniert werden.

Claims (3)

1. Aus einem Sendeimpulse abgebenden Sender und einem ein Empfangssignal abgebenden Empfänger bestehende Einrichtung zum Erfassen von Gegenstän­ den aller Art, die innerhalb einer Strahlungsstrecke die Strahlungsübertragung vom Sender zum Empfänger beeinflussen, bei der das Empfangssignal wenig­ stens einem Komparator zugeführt wird, der das Empfangssignal an seinem ersten Eingang jeweils hinsichtlich seiner durch Vergleichsspannungen an seinem zweiten Eingang bestimmten Ein- und Ausschaltbedingung sowie be­ züglich der Signalreserve überprüft, wobei der Ausgang des Komparators an einen Signaleingang eines Microcontrollers angeschlossen ist und die Ver­ gleichsspannungen über mit dem zweiten Eingang des Komparators verbun­ dene und von korrespondierenden Schaltausgängen des Microcontrollers akti­ vierte Widerstände erzeugt sind, nach Patent . . . /Patentanmeldung 42 228 112.1-52 dadurch gekennzeichnet, daß ein Sendeimpuls oder eine Sendeimpulsserie jeweils erst nach Abfrage des Komparators (10) auf Anlie­ gen eines Störsignals und bei Nichterkennung eines solchen Signals ausgege­ ben wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Komparator (10) bei vorhandenem Störsignal so lange abgefragt wird, bis kein Störsignal mehr ansteht.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch deren Mehrfachanordnung zur Raumüberwachung.