DE4305011C2 - Pulslaufzeit-Meßverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulslaufzeit-Meßverfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Durch die DE 37 32 347 C1 ist ein solches Verfahren bekannt. Dort ist ein Entfernungsbild-Sensor mit einer gepulsten Lichtquelle mit Sende- und Empfangsoptik und einer Zeitablaufsteuerung geschützt. Dabei wird duch Subtraktion jeweils zweier aufeinanderfolgender Torintegralwerte, zu deren Durchführung eine spezielle Hardware vorgeschlagen wird, das Signal VIDEO erzeugt. Der Algorithmus zur Bestimmung der Pulslage lautet dann, daß sich der Puls dort befindet, wo das Vorzeichen des Signals VIDEO von Plus nach Minus wechselt. Dieses kann nur in Schritten aufgelöst werden, die der zeitlichen Verschiebung zweier aufeinanderfolgender Tore gegeneinander entspricht. Je kleiner der zeitliche Abstand der Tore gewählt wird, desto größer wird der apparative Aufwand wegen hoher Taktfrequenzen und die Meßzeit, weil jedes Tor mindestens einen Lichtimpuls benötigt. Andererseits wird auch die Amplitude des Signals VIDEO größer, weil sich ja die Torintegralwerte zweier nur wenig gegeneinander verschobener Tore auch nur wenig unterscheiden. Letzteres begrenzt die in der Praxis erzielbare Auflösung stark, weil das Signal VIDEO aufgrund Rauschens ohne Puls keineswegs Null ist, sondern ständig Vorzeichenwechsel mit kleinen Amplituden durchführt, von denen ein großer Vorzeichenwechsel unterschieden werden muß.

Abstandsmeßverfahren auf Laufzeitbasis haben vor trigonometrischen Verfahren einige Vorteile:

• - Die Meßgenauigkeit ist unabhängig vom Abstand selbst.
• - Es ist keine "Basisstrecke" zwischen dem Sender und Empfänger erfor­ derlich, das bedeutet unter anderem, daß "einäugige" Ausführungen rea­ lisierbar sind (Endoskopie).
• - Glänzende Oberflächen, die ein trigonometrisches Verfahren völlig ver­ sagen lassen können, beeinträchtigen das Verfahren nur wenig.
• - Gleiches gilt für Situationen, wo sich extrem stark reflektierende Ob­ jekte, etwa Rückstrahler, im Gesichtsfeld oder in dessen Nähe befinden (Straßenverkehr!).
• - Es können vergleichsweise große Gesichtsfelder realisiert werden, die vom Meßobjekt nicht vollständig ausgefüllt zu werden brauchen.
• - Abschattungen des Sendeflecks durch vorspringende Kanten des Meßob­ jekts können durch einen großen Sendefleck oder durch eine "einäugige" Ausführung des Sensors ausgeschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das unter Wahrung der vorstehend genannten Vorteile mit ei­ nem Pulslaufzeit-Abstandssensor eine Meßauflösung erzielt, die jener von trigonometrischen Sensoren vergleichbar ist, wobei die Messung beliebi­ ger Abstände möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Pulslaufzeit-Meßverfahrens nach Anspruch 1 zu schaffen, wobei diese Aufgabe durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst wird.

Das erfindungsgemäße Pulsfrequenz-Verfahren ermöglicht allgemeinen die Be­ stimmung der zeitlichen Lage eines sich wiederholenden (Spannungs-)Pul­ ses von gegebener Form, der in aufeinanderfolgenden Zeittoren integriert wird, über die sich ergebenden Integrale. Eine wesentliche Anwendung er­ gibt sich für die Absolutmessung von Abständen über die Laufzeit von Licht- und sonstigen Pulsen. Dabei wird eine Auflösung von etwa einem Hundertstel jener Strecke erzielt, die einer Laufzeit von der Größe der Pulsdauer bzw. der Torbreite entspricht. Diese Auflösung ist unabhängig vom Abstand selbst. Es brauchen keine Anforderungen an die Linearität des Empfängers gestellt werden, solange dieser nur den Puls qualitativ unverformt wiedergibt. Ebenso können sowohl die Sendeleistung als auch die Empfindlichkeit des Empfängers dynamisch an unterschiedliche Situa­ tionen angepaßt werden. Voraussetzung für die Anwendbarkeit ist ein Pulslaufzeitsensor, der über mindestens zwei integrierende Tore verfügt, wobei ein Sensor mit nur zwei Toren entsprechend Anspruch 2 einen Son­ derfall darstellt. Weiterhin müssen die Torzeiten kleiner als die Puls­ dauer sein und die Tore sollten unmittelbar aufeinanderfolgen. Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Sonderfalls mit nur zwei Toren ist durch Merkmale des Anspruchs 3 gekennzeichnet.

Da Zeittore in beliebiger Anzahl zu beliebigen Zeiten (auch bereits vor der Generierung des Pulses) erzeugt werden können, unterliegt der Meßbe­ reich prinzipiell keinen Beschränkungen. Insbesondere braucht kein Min­ destabstand eingehalten zu werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Abstandsmeßverfahrens auf Zeittor-Basis ist, daß kein Linearitätsfehler über den Gesamtmeßbereich auftritt. Zwar kön­ nen Bauteilstreuungen zu lokalen Linearitätsfehlern in Teilabschnitten des Meßbereichs führen, doch werden diese automatisch im Abstand der Torübergänge korrigiert. Da bei günstigen Realisierungen des Verfahrens der Meßwert digitalisiert wird, ist es andererseits ohne Hardwareände­ rungen möglich, den Abstandssensor eine beliebige nichtlineare Funktion des Abstands ausgeben zu lassen, die weder stetig noch monoton zu sein braucht, also jede Form der Ausgabe ist möglich.

Die Kalibrierung ist wahlweise auf drei Arten möglich: Konventionell auf Hardwareebene (Abgleich von Torzeiten und -abständen) sowie software­ mäßig durch Anpassung der Abstandsmatrix entweder bei der Herstellung anhand einiger Referenzmessungen oder durch einen Lernvorgang auch am Einsatzort. Durch die letzte der drei Möglichkeiten können auch lokale Linearitätsfehler mitkompensiert werden.

Die besonderen Eigenschaften von Sensoren mit dem gekennzeichneten Aus­ wertungsverfahren eröffnen diesen ein sehr breites Spektrum von Anwen­ dungsmöglichkeit. Sie sind dadurch den bekannten gängigen Abstandsmeß­ verfahren überlegen.

Bei Pulslaufzeitmessungen mit Zählverfahren, mit denen größere Abstände (etwa ab einigen 10 m bis hin zur Entfernung zwischen Erde und Mond) ge­ messen werden, wird beim Aussenden des Pulses ein Zähler gestartet, der mit einer konstanten Frequenz getaktet und bei Empfang des reflektierten Pulses gestoppt oder ausgelesen wird. Dabei tritt zwangsläufig eine Un­ sicherheit bei der Laufzeitmessung von einer Periodendauer der Taktfre­ quenz auf. Durch Erhöhung der Taktfrequenz allein läßt sich die Genauig­ keit des Verfahrens jedoch nicht beliebig steigern, denn die Triggerer­ eignisse, die den Zähler starten und stoppen, können abhängig von der Amplitude des auslösenden Pulses an unterschiedlichsten Stellen während des Pulsverlaufs auftreten. Die Messung der Laufzeit ist aus diesem Grund mit einem Fehler von etwa einer halben Pulsdauer behaftet. Nur durch eine Messung der Pulsamplitude und mit Berücksichtigung der Puls­ form ist es möglich, diese verbleibende Unsicherheit zu reduzieren. Die Erfassung dieser Größen stößt aber auf immer mehr Schwierigkeiten, je kürzer der Puls gemacht wird, um die Genauigkeit zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren erlaubt es jedoch, die ohne Erfassung von Pulsamplitude und -form erreichbare Meßgenauigkeit um einen Faktor 50 bis 100 zu steigern. Alternativ kann zum Erreichen einer bestimmten Meßgenauigkeit die Pulsdauer um den gleichen Faktor größer dimensioniert werden, was eine drastische Reduzierung des technischen Aufwands gestat­ tet.

Aktive trigonometrische Verfahren beruhen meist auf der Aussendung eines dünnen Lichtbündels, das auf der Oberfläche des Meßobjekts einen Licht­ fleck erzeugt. Ein Empfänger, der sich an einem anderen Ort als der Sen­ der befinden muß, bestimmt, in welcher Richtung er diesen Lichtfleck "sieht". Durch das Dreieck zwischen Sender, Empfänger und Lichtfleck ist dessen Lage bekannt. Das hat zwei wesentliche Folgen: Der Empfänger muß eine Orts- bzw. Winkelauflösung besitzen, und die Meßgenauigkeit wird umso besser, je kleiner der Lichtfleck ist. Mit anderen Worten: Schnelle Empfänger, die keine Ortsauflösung besitzen, sind ungeeignet, und große Gesichtsfelder (gegeben durch den Sendefleck) lassen sich nur sehr schlecht realisieren. Da nur relativ langsame Empfänger benutzt werden können, lassen sich als Sender auch keine Pulslaser einsetzen, die äußerst helle Lichtimpulse erzeugen, wobei letztere aber wegen ihrer kurzen Dauer dem Auge nicht schaden. Man muß auf modulierte CW-Laser ausweichen, die gerade hell genug sind, um den Sendefleck tagsüber noch registrieren zu können, andererseits aber höchst gefährlich für das menschliche Auge. Die Meßgenauigkeit trigonometrischer Verfahren nimmt mit dem Abstand schnell ab. Sie sind etwa bis zum Hundertfachen des Ab­ stands zwischen Sender und Empfänger (der "Meßbasis") einsetzbar; darüber wird der Fehler zu groß.

Eine weitere Schwäche besteht darin, daß der Lichtfleck, der auf der Oberfläche des Meßobjekts entsteht, möglichst die einzige vom Sender er­ zeugte Lichtquelle im Gesichtsfeld des Empfängers sein sollte. Ist diese Oberfläche durchgehend mattweiß, so ist dies der Fall. Glänzt sie je­ doch, so kann es geschehen, daß der Empfänger das Spiegelbild des Sen­ ders erfaßt, dem ebenso wie dem Sendefleck die Signatur des Senders auf­ moduliert ist, und das sich je nach Neigung der spiegelnden Oberfläche beliebig verschieben kann. Das führt zu krassen Fehlmessungen. Theore­ tisch kann dies zwar nur dann passieren, wenn das Spiegelbild mit dem Sendefleck zusammenfällt, weil sonst das schmale reflektierte Lichtbün­ del den Empfänger nicht treffen würde, doch in der Praxis ist es fast unmöglich, ein solches Lichtbündel ohne Streulicht zu erzeugen, und die­ ses ist bei spiegelnder Reflexion oft sehr gut zu sehen. Ähnliche Effek­ te können sich ergeben, wenn z. B. Rückstrahler in das Gesichtsfeld des Empfängers geraten: Befinden sie sich genau im Sendefleck, so wird höch­ stens der Empfänger übersteuert, doch etwas daneben reflektieren sie das Streulicht viel stärker als die normale Oberfläche den Sendefleck. Sie erzeugen so eine zweite Lichtquelle, der ebenfalls die Modulation des Senders zu eigen ist, und die an Helligkeit sehr wohl den Sendefleck übertreffen kann. Wieder ist eine Fehlmessung die Folge.

Diese Nachteile schränken die Anwendbarkeit von trigonometrischen Ab­ standssensoren sehr ein. Insbesondere die letztgenannten Effekte vermin­ dern stark die Eignung für den Straßenverkehr, weil dort glänzende Ober­ flächen und Rückstrahler sehr oft vorkommen. Auch die Augensicherheit ist hier eine wesentliche Forderung, und größere Meßfelder sind zumin­ dest als wünschenswert anzusehen.

Pulslaufzeit-Sensoren besitzen keine der genannten Schwächen. Ihre An­ wendung wurde bislang nur durch den Mangel an einem Meßverfahren für Ab­ stände von einigen Metern mit Auflösungen im Zentimeterbereich verhin­ dert. Mit dem vorgeschlagenen Pulslaufzeit-Meßverfahren läßt sich ein solches Meßverfahren erstmals realisieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipbild für einen Pulslaufzeit-Sensor mit Zeittoren und mit einem empfangenen Puls in den Zeittoren;

Fig. 2 Ermittlung von Teilbereichen bei dem Puls nach Fig. 1 für drei Tore;

Fig. 3 Darstellung von Torintegral-Verhältnissen in den Teilbereichen von Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Verfahrens;

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung für die Ausführung eines Pulslauf­ zeit-Meßverfahrens für drei Tore;

Fig. 6 eine vereinfachte Schaltungsanordnung des Verfahrens nach Fig. 4 für zwei Tore und

Fig. 7 eine Mikroprozessor-Ausführung für die Durchführung des Verfah­ rens.

In der Fig. 1 ist das Prinzipbild für einen Pulslaufzeit-Sensor 10 mit Torintegral-Meßverfahren dargestellt. Im Sensor 10 sind in bekannter Weise drei aufeinanderfolgende Tore 1, 2 und 3 verwirklicht. In den To­ ren 1 und 2 ist ein von einem nicht dargestellten Sensor ausgesandter Lichtpuls 4 dargestellt, der von dem Sensor 10 empfangen ist. Der Puls 4 muß in seiner zeitlichen Ausdehnung größer als jedes der Tore 1, 2 und 3 sein. Von dem Puls 4 werden von seinem in den Toren 1 und 2 vorhandenen Anteilen Torintegrale T1 und T2 gebildet, weil sich der Puls 4 durch seine Integrale leichter erfassen läßt. Es zeigt sich hierbei, daß im Tor 1 das größere Torintegral T1 gegenüber dem Torintegral T2 vorhanden ist. Dadurch, daß sich im Tor 1 das größere Torintegral T1 befindet, ist auch der Pulsschwerpunkt, dargestellt durch die strichpunktierte Linie 4a, innerhalb des Tores 1. Durch die Linie 4a des Pulsschwerpunktes ist auch der Abstand d_M des Meßobjektes auf der Abszisse d gegeben, welche die Pulslaufzeit bzw. den Abstand des Meßobjektes von dem Pulslauf­ zeit-Sensor 10 darstellt. Bei bekannten Pulslaufzeit-Meßverfahren konnte nur festgestellt werden, daß der Wert von d_M innerhalb des Tores 1, also im Bereich von d = 0 bis d = 1 liegt. Der Wert des vorliegenden Verfahrens besteht darin, die exakte Lage von d_M und damit den genauen Abstand des Meßobjektes von dem Pulslaufzeit-Sensor 10 zu ermitteln.

Dazu wird als erster Schritt der gesamte Abstandsmeßbereich in Teilbe­ reiche aufgegliedert, wie in Fig. 2 am Spezialfall dreier Tore 1 bis 3 beispielhaft dargestellt ist. Eine Grenze eines jeden Teilbereichs ent­ spricht dabei einer Torgrenze, die definiert ist durch die Lage des Pulsschwerpunkts, bei der sich gleiche Integrale in den zwei aufeinan­ derfolgenden Toren ergeben (symmetrische Pulslage). Die andere Grenze (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) wird gebildet durch die Lage des Pulsschwerpunkts in dem Fall, wo die beiden Integrale in den beiden To­ ren vor und nach dem Tor, das den Pulsschwerpunkt enthält, gleich groß sind. (Die Gesamtpulsbreite soll größer als die Torbreiten sein, damit diese beiden Integrale in diesem Fall größer als Null sind, was eine scharfe Definition solcher Teilbereichsgrenzen erlaubt.) In Fig. 2 ist die Grenze zwischen den Teilbereichen 12 und 13 so definiert. Im ersten und im letzten Tor, wo nur jeweils ein angrenzendes Tor existiert, ent­ spricht der Beginn des ersten Teilbereichs 11 jener Lage des Pulsschwer­ punkts, wo das Integral im zweiten Tor von Null verschieden wird, analog ist das Ende des letzten Teilbereichs 14 gegeben durch die Lage des Pulsschwerpunkts, bei der das Integral im vorletzten Tor gleich Null wird. Durch diese Aufteilung ergibt sich im ersten Tor 1 ein Randbereich 15 und im letzten Tor 3 ein Randbereich 16. Diese Randbereiche sind nicht mehr Teil des Meßbereichs und spielen bei der weiteren Durchfüh­ rung des Verfahrens keine Rolle.

Zur zeitlichen Bestimmung von d_M und damit zur Feinbestimmung des Ab­ standes des Meßobjektes wird im nächsten Verfahrensschritt das jeweilige Verhältnis des kleineren Torintegrals T2 zum größeren Torintegral T1 beim Durchwandern des Pulses 4 durch die Tore 1 bis 3 gebildet. Diese Werte werden in den Teilbereichen 11 bis 14 beginnend an der Grenze des ersten Teilbereiches 11 bei d = 0,4 aufgetragen, wie dieses aus Fig. 3 ersichtlich ist. Es ist der Wert bei d = 0,4 äußerst gering, weil vom Puls 4, wenn er symmetrisch das Tor 1 abdeckt, im Tor 2 nur ein sehr ge­ ringer Anteil vorhanden ist. Beim Durchwandern des Pulses 4 durch das Tor 1 werden die Werte von T2/T1 immer größer, bis sie am Ende des Tores 1 den Wert 1 erreicht haben, der aber nicht überschritten werden kann, weil dann der Pulsschwerpunkt den Torübergang überschreitet und im Tor 2 und im Teilbereich 12 das Torintegral T1 kleiner als das Torintegral T2 wird. Ab dem Anfang von Tor 2 werden deshalb bis zum Ende des Teilbe­ reichs 12 die Werte T1/T2 aufgetragen. Diese Verhältnisbildung stellt den eigentlichen Kern des Verfahrens dar, weil sich dabei die Puls­ amplitude herauskürzt, die von zahlreichen Einflüssen abhängt und bei der Bestimmung der Pulslaufzeit nur stört. Dies läßt sich auch wie nachstehend beweisen. Wenn man A als Pulsamplitude setzt, ist:

Für die praktische Realisierung dieses Verarbeitungsschritts ist es nicht zweckmäßig, das exakte Verhältnis der Torintegrale bilden zu wol­ len, denn es ist auf einen Wertebereich zwischen Null und Eins be­ schränkt, der digital nicht darstellbar ist und sich auch für die Wei­ terverarbeitung nicht besonders gut eignet. Man bildet ihn am günstig­ sten auf einen Bereich zwischen Null und irgendeiner geeigneten Zweier­ potenz ab und arbeitet mit einem ganzzahligen Wert weiter. Dieser ist als zweites Teilergebnis festzuhalten.

Am einfachsten läßt sich die Division natürlich auf einem Rechner durch­ führen, der über Fließkommaarithmetik verfügt. Diesen Weg kann man wäh­ len, wenn ein Labormeßaufbau realisiert werden soll, denn er erfordert so gut wie keinen Entwicklungsaufwand. Hingegen erfordert er einige Hardware und auch die Verarbeitung ist äußerst unrationell, also langsam.

Will man einen Mikrocomputer einsetzen, so wählt man am besten einen, der über die Fähigkeit zur Integerdivision verfügt. Man verschiebt dann das zweitgrößte Torintegral zunächst um einige Binärstellen nach links, dividiert es dann durch das größte und erhält eine dem Verhältnis pro­ portionale Zahl im Bereich zwischen Null und einer Zweierpotenz, die der anfänglichen Linksverschiebung entspricht. Das erfordert nur wenige Mi­ krosekunden.

Ein Mikrocomputer ist allerdings noch nicht die schnellste Lösung, weil die Werte der Torintegrale zuerst digitalisiert und die Ergebnisse ein­ gelesen werden müssen. Man kann Digitalisierung und Verhältnisbildung in einem Schritt erledigen, wenn man sich die Tatsache zunutze macht, daß A/D-Wandler immer das Verhältnis zwischen der zu messenden Spannung und einer Referenzspannung ausgeben. Man legt einfach das zweitgrößte Tor in analoger Form auf den Meßeingang und das größte auf den Referenzeingang. Das Ergebnis der A/D-Wandlung entspricht dann dem Torintegralverhältnis, abgebildet auf einen Wertebereich zwischen Null und dem maximalen Ausga­ bewert des A/D-Wandlers. Gehört letzterer nicht zu jenen Typen, deren Eingangs-Spannungsbereich sich zwischen Null und der jeweiligen Refe­ renzspannung erstreckt, ist ein geeigneter Spannungsteiler vorzusehen. Da das erste und das letzte Tor jeweils nur einen Nachbarn besitzen, ist das Divisionsergebnis dort nur dann signifikant, wenn noch ein Stück des Pulses im entsprechenden Nachbartor registriert wird. Der Meßbereich er­ streckt sich somit etwa von der Mitte des ersten bis zur Mitte des letz­ ten Tores. Darunter und darüber befinden sich Bereiche von etwa einer Torbreite, in denen der Puls zwar noch registriert, seine genaue Lage jedoch nicht mehr bestimmt werden kann.

Die bisherigen Verfahrensschritte liefern zwei ganzzahlige Werte, die ab hier auf jeden Fall in digitaler Form vorliegen. Dieses Zahlenpaar läßt sich eindeutig einem Abstandsbereich zuordnen, der klein genug ist, um als einzelner Meßwert aufgefaßt zu werden. Nichtsdestoweniger ist es im­ mer möglich, diesen Abstandsbereich mit unterer und oberer Grenze anzu­ geben und z. B. in einem Speicher zur Ausgabe abzulegen. Die Art der Meß­ wertausgabe ist völlig frei wählbar; es gilt lediglich, das vorliegende Zahlenpaar in die gewünschte Ausgabegröße umzuformen. Verfahren hierzu sind bekannt, dennoch soll zur Verdeutlichung des großen Anwendungsspek­ trums auf einige Möglichkeiten hingewiesen werden.

Zunächst kann hierzu eine mit Gattern aufgebaute Dekodierlogik dienen. Eine solche Schaltung erfordert zwar einen recht großen Entwicklungsauf­ wand, ist aber auch sehr schnell. Man wird eine solche Lösung vor allem dort in Betracht ziehen, wo ein sehr einfaches Ausgabeformat in sehr kurzer Zeit gebraucht wird, etwa bei Sensoren, die nur gewisse Abstands­ bereiche durch Setzen einzelner Bits melden sollen. Eleganter, wenn auch langsamer, kommt man mittels eines digitalen Speichers zum Ziel. Dies kann ein normaler Speicherbaustein sein, an dessen Adreßeingänge die beiden Digitalwerte parallel angelegt werden, und in dem die dazugehöri­ gen Ausgangswerte abgespeichert sind. Dazu ist kein Prozessor erforder­ lich, wenn die nötigen Steuersignale anderweitig erzeugt werden.

Wird das Verfahren softwaremäßig realisiert, so faßt man die beiden Ein­ gangswerte am besten als Indizes einer Matrix auf, deren Elemente die gewünschten Ausgangsdaten oder deren Adressen enthalten. So realisiert (im Prinzip auch mit der vorstehend genannten Methode) ist der Sensor lernfähig: Präsentiert man ihm ein Meßobjekt in einem bestimmten Ab­ stand, so generiert er Indizes bzw. eine Speicheradresse, an die dann die ebenfalls vorzugebenden Ausgangsdaten geschrieben werden können. Für einen Laboraufbau ist dies die einfachste Kalibrierungsmethode.

Im Regelfall werden als Ausgangsdaten sicher Abstandsmeßwerte erwünscht sein. Diese lassen sich im Speicher in beliebiger Kodierung ablegen, sei es als Fließkommazahlen zur direkten Weiterverarbeitung oder als Zei­ chenketten zur Anzeige, aber auch z. B. in Form von Ansteuerdaten für 7-Segment-Anzeigen. Weiterhin kann natürlich statt des Abstands eine be­ liebige Funktion desselben im Speicher stehen, genauso wie Einsprung­ adressen für abstandsabhängig auszuführende Unterprogramme bei Indu­ strierobotern u. ä.

Das Verfahren läßt sich mit einem einfachen Blockschaltbild entsprechend Fig. 4 veranschaulichen. Die Torintegrale werden immer zweifach verar­ beitet. Zuerst werden Kennungen für das größte und zweitgrößte Tor oder auch direkt für den Abstandsbereich ermittelt. Der Abstandsbereich, der ggf. noch kodiert werden muß, ist eine der Ausgangsgrößen. Dann werden, gemäß den Kennungen, die beiden Torsignale geordnet dividiert, wodurch man das zweite Teilergebnis erhält. Die beiden Ausgangsgrößen "Abstands­ bereich" und "Integralverhältnis" werden dann zweckmäßig weiterverarbei­ tet.

Fig. 5 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine rein hardwaremäßige Erfül­ lung des Verfahrens. Zur besseren Verständlichkeit ist hier alles wegge­ lassen, was lediglich für die Anpassung von Zeitabläufen und Signalen erforderlich ist (Schmitt-Trigger, Verzögerungsglieder usw.). Demgegen­ über sind an Stellen, wo sich prinzipielle Informationen ableiten lassen (Multiplexer, A/D-Wandler), verfügbare Bauteile mit adäquater Beschal­ tung eingesetzt. Der strichpunktiert umrandete Schaltungsteil 20 dient der Ermittlung des Teilbereiches mit dem größten Torintegral. Innerhalb dieses Schaltungsteils sind drei Komparatoren 21 und eine nachfolgende Logikschaltung 22 vorhanden. Die Komparatoren 21 vergleichen jedes Tor­ integral mit allen anderen. Mit der nachfolgenden Logikschaltung 22 wer­ den - abweichend vom Blockschaltbild Fig. 4 - hier nicht Kennungen für größtes und zweitgrößtes Tor generiert, vielmehr wird der Teilbereich direkt in einen 2-Bit-Wert MSB und LSB verschlüsselt. Dieser eignet sich besser zur Ansteuerung eines Doppel-Multiplexers 74HC4052. Weiterhin ge­ neriert die Logik 22 eine Kennung 23 für die Gültigkeit der momentan an­ stehenden Werte. Durch die Verdrahtung an den Eingängen des Multiple­ xer-Bausteins liegen an seinen Ausgängen immer die beiden größten Torin­ tegrale GR und ZW, die über einen Spannungsteiler 24 auf die Re­ ferenz- und Meßspannungseingänge eines A/D-Wandlers AD7576 gegeben wer­ den. Dieser gibt digital ihr Verhältnis aus, wobei der Bereich zwischen Null und Eins auf einen Binärwert von 0 bis 255 abgebildet wird (8 Bit). Dies geschieht in allen vier Teilbereichen; zur Unterscheidung wird als neuntes und zehntes Bit die Bereichskennung hinzugefügt. Dieses Bitmu­ ster wird, wenn gültig, auf drei Zwischenspeicher 25 gegeben, an deren Ausgängen Out 0 bis Out 9 immer ein 10-Bit-Wert ansteht, der eindeutig einem bestimmten Abstandsmeßwert zugeordnet werden kann. Zur Weiterver­ arbeitung bietet sich z. B. eine nicht dargestellte Speicherbaugruppe an, die unter den entsprechenden Adressen die gewünschten Ausgangswerte ent­ hält.

Besitzt der gegebene Abstandssensor nur zwei Tore, so ist die Identifi­ kation des größten und des zweitgrößten Torintegrals optional, weil für die Division ohnehin nur zwei Operanden zur Verfügung stehen, die nicht erst bestimmt zu werden brauchen. Auch das Ordnen dieser Operanden kann unterbleiben, wenn für das Divisionsergebnis Werte über Eins zugelassen werden. Der insgesamt mögliche Meßbereich, der jenem Abstandsbereich entspricht, in dem in jedes der beiden Tore ein Teil des Pulses fällt, wird so allerdings nicht erreicht: Je weiter der Puls in jenes Tor ge­ rät, das im Zähler des Quotienten steht, desto schneller wächst das Di­ visionsergebnis an und überschreitet irgendwann den maximal möglichen Ausgangswert. Es ist nicht sinnvoll, diesen zu groß zu dimensionieren, denn das geht auf Kosten der Meßauflösung im anderen Tor, wo die Kurve des Quotienten flach verläuft.

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild für eine solche Ausführung. Es ent­ hält außerdem eine Schaltung, die prüft, ob der Sensor überhaupt einen Puls ausreihender Amplitude registriert. Das ist wichtig, um eine hier mögliche Division durch Null zu vermeiden. Man erreicht dies sehr ein­ fach durch Addition der Torintegrale. Das Ergebnis entspricht dem Inte­ gral über dem gesamten Pulsverlauf, das der Amplitude proportional ist.

Eine solche Prüfung kann auch für Sensoren mit mehr als zwei Toren sehr nützlich sein; sie wurde in Fig. 5 nur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Ein erster Operationsverstärker 30 ist als Addierer ge­ schaltet. Da er ein invertierendes Verhalten besitzt, folgt ihm ein wei­ terer Operationsverstärker 31, der ebenfalls invertiert. Mit dem Ver­ hältnis der Widerstände R2 und R3 kann die Gesamtverstärkung sehr ein­ fach der Schaltschwelle des folgenden Schmitt-Triggers 32 angepaßt wer­ den. Dieser wiederum steuert zwei Ausgangs-Speicher 25 an, die deshalb nur bei ausreichender Pulsamplitude vom A/D-Wandler AD7576 das Divi­ sionsergebnis übernehmen. Der hier eingesetzte A/D-Wandler AD7576 be­ sitzt einen Meßspannungsbereich von Null bis zur doppelten Referenz­ spannung. Aus diesem Grund wird hier der Spannungsteiler am Referenzein­ gang aus Fig. 5 einfach weggelassen: Der zulässige Bereich für das Divi­ sionsergebnis erstreckt sich so von Null bis zwei, was eine vernünftige Auflösung über den gesamten Meßbereich verspricht.

Werden keine besonderen Anforderungen an die Geschwindigkeit der Sig­ nalverarbeitung gestellt, oder besitzt der gegebene Sensor eine größere Zahl von Toren, stellt sicherlich ein Mikroprozessor die günstigste Al­ ternative für die Realisierung des Verfahrens dar. Die Identifikation der Tore mit dem größten und zweitgrößten Integral und die Division sind elementare Operationen, die keiner weiteren Erläuterung bedürfen. In Fig. 7 ist eine derartige Schaltung vereinfacht dargestellt. Als Zusatz­ schaltung für den Micro-Controller ist lediglich ein Multiplexer 39 und ein A/D-Wandler 40 notwendig, letzterer braucht hier nur die Torintegra­ le zu digitalisieren. Da dies die meiste Zeit kostet, mag es u. U. gün­ stiger sein, jedem Tor einen eigenen A/D-Wandler zuzuordnen, so daß die Digitalisierung parallel erfolgen kann. Zwar steigt dadurch sowohl der Platzbedarf für die Bauteile als auch der Preis, doch ist der Entwick­ lungsaufwand so gering, daß ein so ausgelegter Sensor auch bei höheren Ansprüchen an die Geschwindigkeit eine kostengünstige Alternative zu Hardwareausführungen sein kann.

Claims (5)

1. Pulslaufzeit-Meßverfahren mit unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeittoren, deren Torzeiten kleiner als die Dauer des Pulses sind, und in denen eine Bildung der Integrale der Pulsanteile, welche auf die einzelnen Tore entfallen, erfolgt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Auswahl der zeitlich benachbarten Tore, welche den größten Integralwert (T1) und den zweitgrößten Integralwert (T2) bei der durch den zu messenden Abstand gegebenen zeitlichen Pulslagen liefern;
• - Festhalten des Ergebnisses dieser Auswahl in Form einer einzelnen Kennung, die eindeutig angibt, welches Tor den größten und welches den zweitgrößten Integralwert liefert, wobei ein jedes der möglichen Ergebnisse in einem bestimmten Pulslaufzeit- bzw. Abstands-Teilbereich (11 bis 14) erhalten wird, und somit die Kennung dieses Ergebnisses gleichzeitig eine Kennung für eben diesen Teilbereich ist;
• - Bilden eines Torintegralverhältnisses (T2/T1), indem der zweitgrößte Integralwert (T2) in das Verhältnis zum größten Integralwert gesetzt wird;
• - Kalibrierung der Meßvorrichtung durch Ermittlung des Abstands-Teilbe­ reichs (11 bis 14) und des Torintegralverhältnisses (T2/T1) für verschiedene vorzugebende Abstände, wobei sich für das Torintegralverhältnis (T2/T1) eine stetige, peri­ odische Funktion des Abstands ergibt, die bei symmetrischer Lage des Pulses (4) in zwei benachbarten Toren den Maximalwert Eins annimmt, bei zentraler Lage des Pulses in einem Tor hingegen ein Minimum durch­ läuft, und die innerhalb eines jeden Abstandsteilbereichs monoton ist;
• - Abstandsmessung durch Bestimmung von Abstandsteilbereich und Torinte­ gralverhältnis (T2/T1) beim Meßabstand und Ermittlung des Meßwerts über die ebenfalls monotone Kehrfunktion des Torintegralverhältnisses (T2/T1) im ermit­ telten Abstandsteilbereich.

2. Pulslaufzeit-Meßverfahren nach Anspruch 1 mit genau zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeittoren, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - Bilden eines Torintegralverhältnisses (T2/T1), indem der Integralwert eines fest vorgegebenen Tores (T2) in das Verhältnis zum Integralwert des anderen Tores (T1) gesetzt wird;
• - Kalibrierung der Meßvorrichtung durch Ermittlung des Torintegralverhältnisses (T2/T1) für verschiedene vorzugebende Abstände, wobei sich eine stetige, monotone Funktion des Abstandes ergibt, die bei symmetrischer Lage des Pulses in beiden Toren den Wert Eins annimmt, bei überwiegender Lage des Pulses in einem der beiden Tore entweder kleiner oder größer als Eins wird, und für alle jene Abstände definiert und von Null verschieden ist, in denen auf jedes der beiden Tore ein Teil des Pulses entfällt;
• - Abstandsmessung durch Bestimmung des Torintegralverhältnisses (T2/T1) beim Meßabstand und Ermittlung des Meßwertes über die ebenfalls monotone Kehrfunktion des Torintegralverhältnisses (T2/T1).

3. Schaltungsanordnung für das Pulslaufzeit-Meßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein aus drei Komparatoren (21) und einem Lo­ gikteil (22) bestehenden ersten Schaltungsteil (20), in dem der Ab­ standsteilbereich (11) mit dem größten und zweitgrößten Torintegral (T1, T2) ermittelt und direkt in einer 2-Bit-Kennung (MSB, LSB) ver­ schlüsselt wird, einem zweiten Schaltungsteil aus einem Multiplexer (42), an dessen Eingängen alle Torintegrale (Tor 1 bis Tor 3) anliegen, der durch die Kennung (MSB, LSB) so gesteuert wird, daß an seinen Ausgängen das größte und das zweitgrößte Torintegral erscheinen und einem über einen Spannungsteiler (24) nachgeschalteten AD-Wandler (43), mit dem das Torintegralverhältnis (T2/T1) gebildet wird, sowie einem dritten Schaltungsteil (41), bestehend aus drei Zwischenspeichern (25), die so geschaltet sind, daß an ihren Ausgängen (Out 0 bis Out 9) immer ein aus der Kennung (MSB, LSB) und dem Torintegralverhältnis (T2/T1) zusammengesetzter, einem bestimmten Abstandsmeßwert zugeordneter 10-Bit-Wert steht.

4. Schaltungsanordnung für das Pulslaufzeit-Meßverfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen AD-Wandler (43), mit dem das Torintegralverhältnis (T2/T1) gebildet wird und durch mindestens einen Zwischenspeicher (25), in dem das mit dem AD-Wandler (43) gebildete Torintegralverhältnis (T2/T1) festgehalten wird.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Prüfung, ob der Pulslaufzeit-Sensor (10) überhaupt einen Puls (4) ausreichender Amplitude registriert, parallel zum A/D-Wandler (43) ein Analog-Addierer (bestehend aus den Operationsver­ stärkern 30 und 31) mit nachfolgendem Schmitt-Trigger geschaltet ist.