DE19926214A1 - Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern und Schaltungsanordnung zur Druchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern und Schaltungsanordnung zur Druchführung dieses VerfahrensInfo
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Abstract
Ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern bei von einer Sendeeinheit (10) ausgesandtem und von einer Empfangseinheit (20) empfangenem Signal ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: DOLLAR A - von der Sendeeinheit (10) werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert, DOLLAR A - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen gebildet, DOLLAR A - die Autokorrelationsfunktion wird mit einem Schwellenwert verglichen und auf ein im Strahlengang angeordnetes Hindernis dann geschlossen, wenn der Wert der Autokorrelationsfunktion den Schwellenwert nicht überschreitet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung
von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern bei
von einer Sendeeinheit ausgesandten und von einer Emp
fangseinheit empfangenen Lichtsignalen, nach dem Ober
begriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 2 sowie eine
Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Derartige Verfahren werden beispielsweise bei Licht
schranken eingesetzt. Bei derartigen Lichtschranken muß
eine im Lichtweg plaziertes Objekt von einer Signalstö
rung unterschieden werden. Aus der DE 40 31 142 C3 geht
ein optischer Lichttaster und ein Verfahren zu seinem
Betrieb hervor, bei dem ein Sender mit einer Lichtpuls
folge beaufschlagt wird. Die Schaltung ist derart aus
geführt, daß die Empfangseinheit nach dem Empfang einer
Störung eine gewisse Wartezeit mit der Signalverarbei
tung wartet, wobei diesem Verfahrensschritt die Annahme
zugrunde liegt, daß nach Ablauf dieser Wartezeit ein
störungsfreies Signal abgetastet werden kann. Problema
tisch bei einem derartigen Verfahren und einer derarti
gen Schaltungsanordnung ist es, daß bei periodischen
Störungen, deren zeitlicher Abstand der Wartezeit ent
spricht, eine Abtastung praktisch nicht möglich ist.
Aus der DE 41 41 469 C2 geht ein Verfahren zum Betrieb
einer optischen Sensoranordnung zur Feststellung von in
einem Überwachungsbereich vorhandenen Gegenständen mit
einem Lichtsender, der nacheinander einen zeitlichen
Abstand aufweisende Nutzsignale in Form von Lichtsigna
len in den Überwachungsbereich aussendet, und einem
Lichtempfänger hervor, der bei Abwesenheit von festzu
stellenden Gegenständen im Überwachungsbereich im we
sentlichen kein Licht vom Lichtsender empfängt, jedoch
bei Anwesenheit eines festzustellenden Gegenstandes im
Überwachungsbereich durch Reflexion oder Transmission
so viel Licht vom Lichtsender erhält, daß eine an den
Lichtempfänger angeschlossene Empfangssignalverarbei
tungsstufe ein Gegenstandsfeststellungssignal abgibt,
wobei vor und/oder nach Aussendung des Lichtsignals ein
eventuell vorhandenes Störsignal vom Lichtempfänger er
faßt wird und Pegel- und Steigungsinformationen über
das Störsignal ermittelt werden. Die dadurch gewonnene
Information wird zur annähernden Bestimmung des Störsig
nalverlaufs während der Lichtsignalaussendung und zur
Extraktion des Nutzsignals aus dem empfangenen, sich
aus dem Nutz- und Störsignal zusammensetzenden Gesamt
lichtsignal herangezogen. Weitere Verfahren zum Betrieb
von optischen Lichttastern und Lichtschranken sind aus
den DE 195 37 615 A1, DE 42 24 784 C2 sowie
DE 43 23 910 C2 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde,
ein Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen bei
Lichtsignalen, die zur Erfassung von in dem Lichtweg
angeordneten Gegenständen von einer Sendeeinheit ausge
sandt und von einer Empfangseinheit empfangen werden so
weiterzubilden, daß im Lichtweg angeordnete Gegenstände
von praktisch jeglicher Art von Störungen unterschieden
werden können und so die Unabhängigkeit von Störein
flüssen wesentlich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 sowie durch ei
ne Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
3 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Schaltungsanord
nung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
Die Verwendung von gut korrelierenden Folgen, sogenann
ten Chirps-Folgen, als Lichtemissions-Signale und die
Bildung der Autokorrelationsfunktion der gesendeten und
empfangenen Signale ermöglicht praktisch eine nahezu
störungsfreie Auswertung des Nutzsignals, da Störungen,
die nicht auf ein im Lichtweg befindliches Objekt zu
rückzuführen sind, in die Autokorrelationsfunktion
praktisch nicht eingehen.
Die zusätzliche Berechnung einer zweiten Autokorrelati
onsfunktion eines zeitlich verschobenen emittierten Si
gnals und des empfangenen Signals und der Vergleich
dieser Autokorrelationsfunktion mit der Autokorrelati
onsfunktion des zeitlich nicht verschobenen Sendesi
gnals mit dem Empfangssignal erhöht die Unempfindlich
keit gegenüber Störsignalen weiter.
Rein prinzipiell sind zur Realisierung des Verfahrens
unterschiedlichste Schaltungsanordnungen denkbar. Neben
einer Implementierung in einem Mikrocontroller, kommen
auch diskrete Schaltungsanordnungen in Frage, die zu
sammen mit vorteilhaften Ausführungsformen des Verfah
rens in Verbindung mit der Zeichnung nachfolgend be
schrieben werden.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung;
Fig. 4 schematisch den zeitlichen Verlauf zweier Si
gnale, deren Autokorrelationsfunktion und de
ren Kreuzkorrelaltionsfunktion bei einer Fol
genlänge N = 127 der Signale;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Datenverarbei
tungsprogramm zur Signalverarbeitung mittels
der in Fig. 2 dargestellten Schaltung;
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Daten
verarbeitungsprogramms zur Signalverarbeitung
mittels der in Fig. 3 dargestellten Schal
tung.
Um die Sendesignale eines optischen Tasters von Störsi
gnalen zu unterscheiden, muß den Sendesignalen eine Ei
genschaft gegeben werden, welche die zu erwartenden
Störsignale mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nicht be
sitzen. So kann z. B. das Spektrum des Nutzsignals in
einem Frequenzbereich liegen, in dem die spektralen An
teile der Störungen gering sind. Darüber hinaus können
monochrome Lichtsignale genutzt und ein angepaßtes
Schmalbandfilter vor dem Empfänger angeordnet werden.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, gut
korrelierende Folgen, sogenannte Chirps-Folgen als Sen
designale zu verwenden. Die Folgen weisen eine sehr ho
he Autokorrelation auf, die Kreuzkorrelation mit Folgen
aus der gleichen Familie oder mit anderen Signalen ist
dagegen klein. Hohe Autokorrelation bedeutet, daß der
Wert der Korrelationsfunktion für eine Verschiebung,
die Null ist, groß und für alle anderen Werte klein
ist. Die Korrelationsfunktion ist folgendermaßen be
stimmt:
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, in der der zeitliche Verlauf
zweier Signale S1 und S2 sowie deren Autokorrelations
funktion ϕ11 und deren Kreuzkorrelationsfunktion ϕ12
schematisch dargestellt sind, existiert eine hohe Auto
korrelation und eine praktisch verschwindende Kreuzkor
relation bei Chirp-Folgen. Wegen ihrer Dauer, z. B. ei
ner Folgenlänge von, wie in Fig. 4 dargestellt, bei
spielsweise N = 127 oder von noch größeren Folgenlängen
(N = 1000) und der spektralen Spreizung der Autokorre
lationsfunktion mit einer sehr schmalen Spitze, sind
derartige Signale unempfindlich gegen Schmalband- und
Impulsstörungen. Schmalbandstörungen werden beispiels
weise bei optischen Lichtschranken durch Sparlampen,
Impulsstörungen durch Blitzlampen hervorgerufen. Ein
optimaler Empfänger für derartige Folgen weist einen
Korrelator und einen Folgengenerator auf. Die generier
te Folge entspricht dabei der zu empfangenden Folge.
Einen optimalen Empfänger vorausgesetzt, tritt beim Er
reichen des Endes der Folge, am Korrelatorausgang ein
hoher Ausschlag auf. Durch Verwendung von orthogonalen
Chirp-Folgen (Autokorrelationsfunktion groß, Kreuzkor
relationsfunktion klein) ist auch eine gegenseitige Be
einflussung von Sensoren, welche Lichtimpulse, die
Chirp-Folgen entsprechen, emittieren klein.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend in Ver
bindung mit den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausfüh
rungsbeispielen näher erläutert.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer in bipolarer Logik
ausgeführten Schaltungsanordnung zur Unterdrückung von
Störsignalen bei von einer Sendeeinheit 10 ausgesandten
und von einer Empfangseinheit 20 empfangenen Lichtsi
gnale weist ein Schieberegister 30 auf, das von einem
Taktgenerator 32 angesteuert wird. In dem Schieberegi
ster 30 ist eine Chirp-Folge gespeichert, mit der die
Sendeeinheit 10 beaufschlagt wird. Gemäß dieser Chirp-
Folge emittiert die Sendeeinheit 10 Lichtpulse, die von
der Empfangseinheit 20 empfangen werden, zunächst in
einem Verstärker 40 verstärkt, in einem Invertierer 42
invertiert und einem Korrelator 50 zugeführt werden.
Der Korrelator 50 weist einen als Multiplikator 52 wir
kenden Schalter S1 sowie einen Integrator 54 auf, der
durch einen Operationsverstärker und einen Kondensator
auf an sich bekannte Weise gebildet ist. Dem Korrelator
50 ist ein Komparator 62 nachgeschaltet.
Die Funktion der Schaltung ist nun folgende. Die im
Schieberegister 30 gespeicherte Chirp-Folge wird durch
den Taktgenerator ausgelesen und an die Sendeeinheit 10
weitergeleitet. Das empfangene Signal wird verstärkt
und dem Korrelator 50 zugeführt. In diesem werden das
Sendesignal sowie das empfangene Signal zunächst mit
tels des als Multiplizierer 52 wirkenden Schalter S1
multipliziert. Sodann wird das Zeitintegral in dem In
tegrator 54 gebildet. Das auf diese Weise erhaltene
Korrelationssignal wird beim Erreichen des Endes der
Chirp-Folge an einen Kondensator mittels eines Schal
ters S3, die einen sogenannten Sample & Hold 60 bilden,
weitergegeben. Kurz daraufhin wird der Integrator 54
zurückgesetzt durch Schließen des Schalters S2. Das Si
gnal am Ausgang des Sample & Hold 60 wird dem Kompara
tor 62 zugeführt. Befindet sich kein Objekt im Strah
lengang, weist das Ausgangssignal am Komparator 62 ei
nen hohen Wert auf, da eine hohe Autokorrelation vor
liegt. Befindet sich ein Objekt im Strahlengang, unter
schreitet das Ausgangssignal am Komparator einen
Schwellenwert.
Mit einer derartigen Schaltung können bei einer Takt
frequenz von ca. 2 MHz und einer Folgenlänge von 400
eine Schaltfrequenz der gesamten Schaltungsanordnung,
d. h. des Sensors von 2,5 KHz erreicht werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterschei
det sich von der entsprechend in Fig. 1 dadurch, daß
ein zweiter Korrelator 70, der einen Multiplikator 71
in Form des Schalters S1 sowie einen Integrator 72 um
faßt, vorgesehen ist. Diesem zweiten Korrelator 70 wer
den ein um einige Takte verschobenes Signal, das an ei
ner Stelle im Schieberegister 10 abgegriffen wird, zu
geführt. Der Integrator 72 wird durch einen Schalter S2
zurückgesetzt, der durch ein Verzögerungsglied 34 ver
zögert betätigt wird, wobei die Verzögerung der Verzö
gerung des zeitlich verschobenen Signals, das diesem
Korrelator 70 zugeführt wird, entspricht. Auf diese
Weise wird die Autokorrelationsfunktion eines zeitlich
geringfügig verschobenen Signals berechnet. Die beiden
berechneten Autokorrelationsfunktionen werden voneinan
der in einem Subtrahierer 74 subtrahiert. Das auf diese
Weise erhaltene Signal wird auf die oben beschriebene
Weise dem Sample & Hold und dem Komparator zugeführt
und mit einem Schwellenwert verglichen. Auf ein im
Strahlengang angeordnetes Objekt wird geschlossen, wenn
die Differenz einen Schwellenwert überschreitet. Hier
durch ist eine weitere Kompensation von Störungen mög
lich.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel wird das von dem
Empfänger 20 empfangene und verstärkte Signal einem
A/D-Wandler 80 und sodann einem Mikrocontroller 90 zu
geführt. Die Signalverarbeitung erfolgt im Mikrocon
troller 90 auf digitalem Wege.
In Fig. 5 ist ein Programm dargestellt, das der Signal
verarbeitung gemäß der in Fig. 1 dargestellten Schal
tung entspricht.
Dieses Programm umfaßt folgende Schritte:
Zunächst wird die Folge initialisiert, die Folgenlänge wird festgelegt und es wird der Schwellenwert bestimmt, was beispielsweise durch ein an sich bekanntes Teach- In-Verfahren geschehen kann. Sodann wird eine Schleife durchlaufen, in der das Zeitintegral des empfangenen Signals berechnet wird, wobei das analog empfangene Si gnal durch den A/D-Wandler 80 in ein Digitalsignal um gewandelt und dessen Integral berechnet wird. Schließ lich wird das Integral mit der Schwelle verglichen und der Ausgang auf 1 gesetzt, wenn das Integral größer als die Schwelle ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Ausgang auf 0 gesetzt.
Zunächst wird die Folge initialisiert, die Folgenlänge wird festgelegt und es wird der Schwellenwert bestimmt, was beispielsweise durch ein an sich bekanntes Teach- In-Verfahren geschehen kann. Sodann wird eine Schleife durchlaufen, in der das Zeitintegral des empfangenen Signals berechnet wird, wobei das analog empfangene Si gnal durch den A/D-Wandler 80 in ein Digitalsignal um gewandelt und dessen Integral berechnet wird. Schließ lich wird das Integral mit der Schwelle verglichen und der Ausgang auf 1 gesetzt, wenn das Integral größer als die Schwelle ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Ausgang auf 0 gesetzt.
Ein Beispiel für ein Programm für eine Signalverarbei
tung, die der Signalverarbeitung durch die in Fig. 2
dargestellte Schaltung entspricht, ist in Fig. 6 darge
stellt.
Bei diesem Programm wird wiederum zunächst einmal die
Folge initialisiert, die Folgenlänge festgelegt und der
Schwellenwert durch beispielsweise ein Teach-In-
Verfahren definiert. Sodann werden von den empfangenen
Signalen, die analog von dem Empfänger 20 empfangen und
von dem A/D-Wandler 80 in Digitalsignale umgewandelt
werden, die Zeitintegrale einer ersten Folge (i) und
einer zeitlich versetzten Folge (i+1) bestimmt. Es wird
sodann die Differenz des Zeitintegrals der nicht zeit
lich verschobenen Folge und des Zeitintegrals der zeit
lich verschobenen Folge berechnet. Diese Differenz wird
mit der Schwelle verglichen. Ist die Differenz größer,
wird der Ausgang auf 1 gesetzt, ist sie kleiner, wird
der Ausgang auf 0 gesetzt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in
Optosensoren/Näherungsschaltern bei von einer Sen
deeinheit (10) ausgesandten und von einer Emp
fangseinheit (20) empfangenen Signal, gekennzeich
net durch folgende Schritte:
- - von der Sendeeinheit (10) werden Chirps- Folgen von Lichtpulsen emittiert,
- - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen gebildet,
- - die Autokorrelationsfunktion wird mit einem Schwellenwert verglichen und auf ein im Strahlengang angeordnetes Hindernis dann ge schlossen, wenn der Wert der Autokorrelati onsfunktion den Schwellenwert nicht über schreitet.
2. Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen bei
von einer Sendeeinheit (10) ausgesandten und von
einer Empfangseinheit (20) empfangenen Signalen,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - von der Sendeeinheit werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert,
- - von der Sendeeinheit werden Chirps-Folgen von Lichtpulsen emittiert,
- - es wird die Autokorrelationsfunktion zwischen den gesendeten Signalen und den empfangenen Signalen ermittelt,
- - es wird zusätzlich die Autokorrelationsfunk tion zwischen einer zeitlich verschobenen ge sendeten Pulsfolge und der empfangenen Puls folge bestimmt,
- - es wird der Differenzwert gebildet zwischen der Autokorrelationsfunktion der zeitlich nicht verschobenen gesendeten Signale und der empfangenen Signale sowie der Autokorrelati onsfunktion der zeitlich verschobenen Signale und der empfangenen Signale,
- - es wird auf ein im Strahlengang angeordnetes Objekt dann geschlossen, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfah
rens gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einer Lichtsen
deeinheit (10) und mit einer Empfangseinheit (20),
mit einem von einem Taktgenerator (32) angesteuer
tes Schieberegister (30) zur Erzeugung einer Puls
folge, mit einem Korrelator (50), wenigstens um
fassend einen Multiplikator (52) zur Bildung des
Produkts der gesendeten und empfangenen Signale
sowie einen Integrator (54) zur Bildung des Zei
tintegrals des Produkts, mit einem Sample & Hold
(60) sowie mit einem Komparator (62) zum Vergleich
des Integrals mit einem vorgegebenen Schwellen
wert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein weiterer Korrelator (70) mit
einem Multiplikator (71) und einem Integrator (72)
vorgesehen ist, sowie mit einem den beiden Korre
latoren (50, 70) nachgeschalteten Subtrahierer
(74), dessen Ausgangssignal dem Sample & Hold (60)
und dem Komparator (62) zugeführt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999126214 DE19926214A1 (de) | 1999-06-09 | 1999-06-09 | Verfahren zur Unterdrückung von Störsignalen in Optosensoren/Näherungsschaltern und Schaltungsanordnung zur Druchführung dieses Verfahrens |
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Publications (1)
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DE19926214A1 true DE19926214A1 (de) | 2001-01-11 |
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