用于光电屏障的光学单元的收发器元件以及光电光幕的利记博彩app

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【专利摘要】本发明涉及一种用于光电屏障的光学单元的收发器元件，并且涉及这样的光电屏障。特别地，收发器元件包括至少一个光学发送器、至少一个光学接收器以及控制元件，其中，所述控制元件包括：用于驱动所述至少一个光学发送器发射辐射的驱动器单元；以及用于感测和评估由所述光学接收器生成的电信号的至少一个接收器单元。
【专利说明】用于光电屏障的光学单元的收发器元件以及光电光幕

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于监视保护区的光幕和光电屏障，特别是安全光幕。特别地，本发明 涉及用于光电屏障的光学单元的收发器元件，并且涉及这样的光电屏障。

【背景技术】
[0002] 通常，光电屏障--也被称为光幕或光栅--检测物体进入到防护区域中的运动 或侵入，并且更具体地，对与机器或其他工业设备一起工作的人类操作者提供保护。这样的 光电屏障可以由两个或更多个光学单元（还称为杆、棍、边或条）形成，或者由与反射部件 交互的一个光学单兀形成。
[0003] 采用红外或可见光光束的光幕用于在各种工业应用中提供操作者的安全。光幕通 常用于在机械周围的操作者保护，该机械例如为冲床、制动器、铸模机、自动装配设备、绕线 机、机器人操作和铸造操作等。常规光幕通常采用：在沿防护区域一侧的传送器杆的间隔位 置处安装的发光二极管（LED);以及沿该区域相对侧的接收器杆安装的光电晶体管（PT)、 光电二极管或光接收器。LED沿单独的平行通道将经调制的红外光束传送至接收器杆处的 PT。如果一个或更多个光束被不透明物体例如操作者的手臂阻挡，则控制电路关闭机器、防 止机器循环，或者以其他方式防护该区域。
[0004] 通常，安全光幕包括被形成为两个不同构造单元的两个光学单元，这两个光学单 元中的一个具有发射器功能而另一个具有接收器功能。然而，发射器和接收器的这种专用 架构具有若干缺点。
[0005] 首先，由于必须不同地制造每种类型的光学单元，所以制造成本较高。此外，由于 光学通信为仅单向的即从发送器到接收器的事实，所以光学同步可能较难并且通信信息的 传输可能仅沿一个方向。
[0006] 已经提议将接收器和传送器定位在第一和第二光学单元中的每个光学单元上，如 在欧洲专利EP1870734B1中描述的。此处，光幕具有传送单元和接收单元固定于其的两个 相同的传送/接收条。传送/接收条彼此相对放置，其中在条之间形成保护区域。传送/ 接收条被相同地形成在控制和评估单元中。控制和评估单元具有被形成在一起作为开关通 道的安全输出。对所有条设置了相同的电源。
[0007] 此外，从EP2511737A1已知的是针对这样的光幕提供了模块化光幕和光学单元。
[0008] 最标准的概念使用致力于驱动辐射发射器或评估来自辐射接收器的信号的集成 电路。因此，对于具有发射器和接收器的收发器元件，需要两个不同的控制元件或者这两个 不同的控制元件各自具有不会用于特定任务的部分，从而产生不必要的成本。


【发明内容】

[0009] 因此，本发明的目的为克服以上提及的问题，并提供一种用于在光电屏障中使用 的收发器元件，该收发器元件能够具有高灵活性和可靠性并且可以以成本效益方式制造。 [0010] 该目的由独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施方式为从属权利要求的主 题。 toon] 本发明基于如下构思：用于光电屏障的光学单元的收发器元件具有至少一个光学 发送器和至少一个光学接收器以及控制元件，该控制元件包括用于驱动所述至少一个光学 发送器发射辐射的驱动器单元，并且该控制元件具有用于感测和评估由光学接收器生成的 电信号的接收器电路系统。换言之，形成控制元件的一个集成电路操控指向相反方向的两 个辐射光束的接收部分和发射部分二者。根据本发明，可以集成甚至比仅两个光束多的光 束，例如四个、六个或更多个光束，以由一个控制元件操控。有利地，始终使用完整的控制元 件，并且一种类型的控制元件足以构建每种所需的光幕架构。
[0012] 根据一种有利的实施方式，控制元件被制造为集成电路，优选地为专用集成电路 (ASIC)。可替选地，还可以使用现场可编程门阵列（FPGA)设计。如本领域技术人员已知的， ASIC具有全定制能力、较低单元成本和小形状因子的优点，而FPGA具有较快的上市时间和 较简的单设计周期的优点。
[0013] 根据又一有利的实施方式，驱动器单兀能操作成响应于第一设定信号而调节光学 发送器的发射强度。该特征具有的优点在于：所发射的辐射可以被调节为适应不同的环境 条件。此外，通过能够操作例如LED具有可调节发射器电流，驱动器电流可以例如被调节为 适应外部或内部温度变化，这是非常期望的，原因是LED具有严重依赖于温度的发光强度。 另一方面，通过直接评估在相对侧所测量的入射辐射并发回指示入射辐射量的电信号或光 信号，可以使发射强度适应例如前窗污染或环境模糊影响，例如灰尘等。
[0014] 通过控制依赖于温度的LED电流，一方面可以保证在高温处存在足够的强度，且 另一方面可以保证在较低温度处不存在提高的强度。特别地，过高的强度可能会给相邻光 幕系统带来旁瓣或扰动。
[0015] 根据本发明，控制元件的接收器单元能操作成响应于第二设定信号而调节光学接 收器的灵敏度。特别地，在较高水平扰动（例如电磁干扰或环境光脉冲）的情况下，如果使 用较低的操作范围，则可以降低接收器的灵敏度。另一方面，对于长操作范围系统，可以使 用较高的接收器灵敏度，但必须采取另外的预防措施来抵抗扰动。
[0016] 第一设定信号和第二设定信号二者可以作为由光学接收器检测的光信号或者作 为经由通信总线接收的电信号而被接收。
[0017] 根据又一有利的实施方式，将比较器电路特别是水平比较器用于在接收器级处的 强度检测。如果强度值不在预定范围内，则可以使用显示LED或类似装置来警告操作者。特 别地，每个灵敏度水平可以具有两个比较器水平：用于检测限的较低水平；以及较高水平， 该较高水平表示对于在系统的操作期间检测例如由于前窗污染而引起的信号劣化所必需 的强度水平。比较和警告的输出可以在收发器元件处或者在光电屏障的中央控制器处直接 执行。
[0018] 根据一种有利的实施方式，根据本发明的收发器元件可以经由通信总线与中央控 制器和另外的收发器元件通信。关于这一点，如果在总线连接上的通信仅在收发元件发射 辐射期间进行而在接收阶段期间静默，则这是有利的。特别地，在接收阶段不出现数字信号 转换。该信令方案使得能够降低在实际测量过程中的扰动水平。
[0019] 本发明还涉及用于监视监控区域的、包括至少一个收发器元件的光电屏障。本发 明的总构思可以有利地与具有下述第一和第二光学单元的光电屏障一起使用，该第一和第 二光学单元各自具有根据本发明的至少一个收发器元件。然而，其中第二光学单元被替换 为仅反射单元的系统也可以有利地基于根据本发明的一个或更多个收发器元件。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 附图被并入到说明书中并形成说明书的一部分以示出本发明的若干实施方式。这 些附图连同描述用于说明本发明的原理。附图仅用于示出如何可以实现和使用本发明的优 选和替选示例的目的，而不应被解释成使本发明限制于仅示出和描述的实施方式。此外，实 施方式的若干方面可以单独地或者以不同组合形成根据本发明的方案。根据以下对本发明 的各种实施方式（如附图所示）的更加具体的描述，其他特征和优点将变得明显。在附图 中，相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
[0021] 图1示出了具有两个光学单元的光幕的示意图；
[0022] 图2示出了包括两个光学单元的光幕的示意图；
[0023] 图3示出了根据本发明的光电子部件的电路图；
[0024] 图4示出了作为光电子部件的一部分的集成电路的框图；
[0025] 图5示出了图4的集成电路内的时钟信号处理的框图；
[0026] 图6示出了根据本发明的光学单元的示意图；
[0027] 图7示出了根据又一实施方式的光学单元的示意图；
[0028] 图8示出了用于在预定时间帧中经由光脉冲来传送信息的第一编码方案；
[0029] 图9示出了第二编码方案；
[0030] 图10示出了第三编码方案；
[0031] 图11示出了第四编码方案；
[0032] 图12示出了用于数据接收命令的时序图；
[0033] 图13示出了用于数据发送指令的时序图；
[0034] 图14示出了用于图13中所示的数据发送命令的发射阶段的细节；
[0035] 图15示出了用于驱动两个光电二极管的驱动器单元的框图；
[0036] 图16示出了接收器单元的框图；
[0037] 图17示出了控制单元的专注于光电二极管输入电路系统的框图；
[0038] 图18示出了光学接收器增益特性和比较器阈值；
[0039] 图19描绘了借助于水平比较器的强度水平评估；以及
[0040] 图20示出了用于说明根据本发明的在两个光学单元之间的通信的时序图。

【具体实施方式】
[0041] 现在参照图1，示出了包括两个光学单元的光幕的示意图。
[0042] 在该实施方式中的光幕100包括两个相同的光学单元，即第一光学单元102和第 二光学单元104,所述光学单元在彼此之间形成用于监视保护区的多个光屏障。然而，本发 明的构思还适用于包括多于两个的光学单元的系统。光学单元102U04可以例如根据欧洲 专利申请EP2511737A1的原理形成，并且可以特别地使用用于定义其相应功能的插接式模 块 106、108。
[0043] 根据图1示出的实施方式，每个光学单元102、104包括两个相同的模块110,每个 模块110具有发光元件和光接收元件。对于光学单元102、104二者，这些光学模块110被 相同地构建。光学单元102、104中的每一个还包括至少一个第二光学模块112,该至少一个 第二光学模块112还包括向光学单元102、104提供必需智能的微控制器。模块110、112中 的每个模块可以例如具有约150_的高度。然而，每个光学单元102U04内的任何其他大 小或数目的模块也可以与本发明一起使用。基本上，除了定义光学单元中的每个光学单元 的特定功能的插接式模块l〇6a、106b和108a、108b之外，第一光学单元102和第二光学单 元104被相同地构建。
[0044] 根据本发明，光学模块110中每一个包括具有相关联电路系统的多个光电子部件 以用于发射和感测辐射光束。这些光电子部件也被称为"收发器元件"。第二光学模块112 包含相同的光学功能，并且另外地包含至少一个微控制器和可选的电子电路系统，例如具 有外部连接器的接口。然而，对于使用根据本发明的同步方法，光电子部件不一定必须在光 学模块110U12中进行分组。
[0045] 参照图2给出了两个相对光学模块110的一部分的更详细视图。光幕可以由辐射 光束114的线性阵列形成，该福射光束114可以为波长在约800nm至lOOOnm之间的红外福 射，或者为波长在约620nm至750nm之间的可见光。
[0046] 可以例如从每个棍的一个外周端到另一外周端依次激活辐射光束114,每次激活 一个光束。由于每个光学单元102U04具有传送光元件和感测光元件，所以通过光幕的扫 描依次且以交替的方向激活每个元件，光束从第二光学单元104发送到第一光学单元102 并再次返回。在这样的扫描顺序中，各接收棍始终仅依次检测从预定发射元件到对应接收 元件的光。为了使这样的复杂扫描过程能够实现，每个光学单元102U04由多个光电子部 件116形成，每个光电子部件116包括至少一个发光元件118和至少一个光接收元件120。
[0047] 光电子部件116中的每一个具有单独控制元件122形式的相当高程度的集成智 能，该单独控制元件122可以例如被形成为集成电路如专用集成电路（ASIC)。控制元件122 中的每一个提供用于驱动至少一个发光元件118并用于处理由至少一个光接收元件120生 成的信号的电子电路系统。为了与较高层级的控制器通信，光电子部件116中的每一个连 接至通信总线124。
[0048] 根据本发明，每个收发器元件包含驱动器和接收电路系统，该驱动器和接收电路 系统是用于精确地执行由图1和图2的光幕执行的复杂发射和检测顺序所需要的。
[0049] 图3示出了具有互连端子和控制元件122的一个光电子部件116的示意图。特别 地，光电子部件116包括：发光元件，具体地为发光二极管（LED) D2 ;以及光接收元件，具体 地为光电二极管D1。根据本发明，控制元件122可以经由通信总线124连接至下一个紧随 的光电子部件，或者在其为紧接光学单元的控制器的控制元件的情况下，控制元件122连 接至该控制器。总线包括将信号从微控制器（系统的主控设备）传输至控制元件122的数 据输出线。根据图3所示的实施方式，在起主控设备作用的微控制器与多个控制元件122 之间的通信总线124为基于如下三条通信线的串行总线：时钟、数据输入线和数据输出线。 全局系统时钟126由主控设备控制。该时钟在每个控制元件122上缓冲并为控制元件122 的运作提供主时钟。
[0050] 数据传输线（数据输出）被配置成从主控设备到控制元件122的单比特单向连 接。特别地，数据输出线为从微控制器到所有控制元件122的共享通信线。换言之，所有的 控制元件122是并行连接的，并且如果多个光电子部件聚集在光学模块110中，则传输线在 每个模块上进行缓冲。
[0051] 数据输入线130为用于接收从控制元件122发送到主控设备的数据的另一单比特 单向线。根据图3所示的实施方式，数据输入线130为从一个控制元件122传递到下一控 制元件122的菊花链线。在正常操作期间，控制元件从相邻控制元件接收数据。箭头给出 了用于该操作的信号流。在接下来的时钟周期，数据传播到下一控制元件122。
[0052] -般地，每个通信均由主控设备发起。特定控制元件122可以仅在由主控设备发 起的请求已被识别和验证之后将信息传送到数据输入线130上。然后，在数据输入线130 上的响应必须遵循特定的总线协议。此外，从控制元件122到微控制器的通信线为与单个 全局系统时钟同步的点对点通信总线。这意味着每个控制元件122从前面的控制元件获取 信息，并将该数据与其内部数据的合并结果转发到下一控制元件，其中具有将数据登记在 触发器中并在接下来的时钟发送该数据的可配置选项。
[0053] 每个控制元件122连接至可以例如为12V至15V的电源线的单电源线（V+)。控制 元件122还可以包括用于调节其自身电源的内部电源管理块。
[0054] 光电子部件116的主要功能在于在微控制器的监控下以受控方式感测和发射脉 冲式辐射。
[0055] 光电二极管D1感测来自相对光学单元的辐射特别是光，并生成与集成到控制元 件122中的接收放大器连接的模拟输入信号。对于本领域技术人员，理应清楚的是还可以 设置多于一个的光电二极管。
[0056] 此外，控制元件122控制LED驱动电路使得LED D2向相对光学单元发射辐射光束。 驱动电路由控制元件122以所发射的光强具有指定水平的方式控制。当然，还可以在根据 图3的电路中设置多于一个的发光二极管D2。如以上已经阐述的，控制元件122可操作成 通过两条通信线与微控制器通信。从微控制器到控制元件122的通信线为共享通信线。一 个模块中的所有控制元件与将模块中的每个模块隔离的数字缓冲器并联连接。
[0057] 例如，根据一种典型实现，光学模块110具有九个光电子部件116,从而形成总共 18个光束，沿每个方向九个光束。
[0058] 为了调节二极管D2的驱动晶体管T1，提供感测输入以用于感测发光二极管D2的 发射电流。
[0059] 图4示出了根据图3的控制元件122的示意性框图。如以上已经提及的，控制元件 122可以由集成电路形成，并且特别是可以以专用集成电路（ASIC)或现场可编程门阵列设 计（FPGA)的形式实现。如本领域技术人员已知的，ASIC具有全定制能力、较低单元成本和 小形状因子的优点，而FPGA具有较快的上市时间和较简单的设计周期的优点。在下文中， 控制元件将常被称为"ASIC"。然而，这并非将控制元件限制为仅ASIC。
[0060] 控制元件122具有模拟部和数字部以及接口单元。模拟放大器134可操作成检测 由光电二极管测量的信号。此外，逻辑部132包含用于存储特定控制元件122的地址的寄 存器。时钟140用于使所有控制元件与微控制器同步、使内部逻辑运行并对通信总线启动 器线进行采样。内部LED控制器138通过测量在图3所示的外部电阻器R1两端的电压来 控制LED电流值。
[0061] 电源块136生成用于对内部电路系统供电（例如数字逻辑供电和模拟供电）的电 压。用于光电二极管的偏置的辅助电压和模拟接地参考也可以在此处生成。
[0062] 通信块142在一侧与如图3所示的外部微控制器串行总线124对接，而在另一侧 与内部逻辑132对接。
[0063] 图5以框图的形式示出了控制元件122的时钟相关细节。特别地，控制元件122 经由其输入SYSCLK接收外部时钟频率f SYSM。时钟输入用于：测量并比较所感测的光束图 案的时序，以生成正确的光束图案；以及对控制元件122的操作进行排序。功能块时钟140 恢复时钟输入信号SYSCLK。根据特定实施方式，时钟输入为电流信号。在时钟块140中，设 置了逻辑元件和模拟元件二者。特别地，设置了跨阻放大器以用于将时钟电流信号转换成 电压信号，该电压信号然后被缓冲作为经恢复时钟信号RECCLK。这使得能够通过使用电流 信号将时钟输入引脚上随时间的电压变化（dV/dt)最小化。
[0064] 时钟块140输出如下经恢复时钟信号RECCLK，该经恢复时钟信号RECCLK与输入频 率具有相同频率：= fSYSM，但具有相移。
[0065] 如图5所示，通信接口 142以频率fKEraii工作。此外，经恢复的时钟信号还是预分 频器146的输入。预分频器146可操作成生成具有经恢复时钟频率的一半、四分之一或八 分之一的经分频内部时钟频率。然而，预分频器146还可以设置成未使频率分频。预分频 器的输出频率f PSCM取决于预分频器的配置。脉冲图案识别、时序测量等是与经分频时钟频 率fPsraK成比例地进行计算的，根据有利的实施方式，该经分频时钟频率f PsraK为经恢复时 钟频率的一半。对于〇. 8MHz至4. 8MHz的连续系统时钟，预分频器频率将会在0. 4MHz 至2. 4MHz之间。然而，将清楚的是，当然还可以实现或配置其他值。
[0066] 参照图6,示出了特定光学模块110与控制器模块112之间的通信。在该图以及接 下来的图中，考虑使用ASIC作为控制元件122的特定实施方式。然而，如上所概述的，此处 还可以采用用于实现控制元件122的任何其他合适的技术。
[0067] 为了使ASIC能够在这样的多ASIC系统中操作，每个ASIC被分配存储在寄存器组 中的唯一识别地址，并且ASIC经由共享串行总线来响应系统命令。响应于所述命令，ASIC 以仲裁机制经由共享单比特串行总线进行答复。
[0068] 此外，多个ASIC借助于至少一个串行菊花链线而互连，该串行菊花链线在图3和 图6所示的实施方式中由数据输入总线通信线130提供。
[0069] 图7示出了提供多个光学模块110来代替图6中示出的单个光学模块的情况。本 发明的原理当然可以以与仅一个模块110存在的情况相同的方式用于图7所示的实施方 式。
[0070] 可以从如下事实看出本发明的重要方面：通过使用根据本发明的收发器元件，通 过从一个棍的收发器元件到相对棍中的另一收发器元件的光学路径进行数据传送是可行 的。通过在每个收发器元件中提供接收和传送功能，可以沿两个方向实现数据传送。
[0071] 可以采用特定编码方案来执行两个光学单元之间的这种通信。现在将参照图8至 图11更详细地说明用于这样的光学编码的示例。
[0072] 图8示出了使用一个光脉冲在特定时间帧内的位置来指示逻辑值的第一可能性， 该逻辑值具体地为逻辑1或逻辑〇。
[0073] 如图8所示，编码方案涉及每个符号一个光脉冲144,并且在预定时间窗内的位置 定义该符号，具体地为其是否应当表示逻辑1或逻辑〇。特别地，如果发射了光脉冲144并 在时间帧的第一部分148内感测到该光脉冲144,则该光脉冲144被识别为逻辑1 ;而如果 该光脉冲144出现在时间帧的第二部分150内，则认为该光脉冲144为逻辑0。完整的编码 时间帧可以例如具有12个预分频器时钟周期的持续时间。在此情况下，可以将用于编码时 间帧152的第一部分148和第二部分150的时间选择为具有五个预分频器时钟周期的持续 时间。可以设置限制时间以用于确保第一部分148和第二部分150的明确分隔。每个光学 脉冲144的脉冲宽度可以例如达到一个预分频器时钟周期。然而，对于本领域技术人员，理 应清楚的是还可以使用完全不同的时序范围。
[0074] 通过在一个编码时间巾贞152内定义多于两个的子巾贞154,单个光脉冲144可以用于 对不止一位进行编码。图9示出了例如用一个光脉冲对两位进行编码。对于该编码方案， 必须在编码时间帧152内定义总共四个子帧。如图9所示，光脉冲在子帧154中之一内的 出现表示二位逻辑字11、1〇、〇1或〇〇中之一。以类似方式，可以定义较高位编码方案，对于 二位编码方案如图10所不，对于四位编码方案如图11所不。
[0075] 图12是说明在一个光学单元中的微控制器与称为ASIC#m. η和ASIC#m. n+1的两 个示例性控制元件之间的信令的时序图。如图12所描绘的，用作总线主控设备的微控制器 向所有连接的收发器元件传送数据接收命令。所有连接的收发器元件检查地址是否匹配， 这意味着该命令指向特定收发器元件。如果地址不匹配（如针对ASIC#m. n+1所示的），则 ASIC开始等待再次来自总线的新命令（图12的步骤4)。
[0076] 另一方面，如果地址匹配，则特定ASIC对该命令进行解码并接收与所期望光学数 据的长度有关的信息。如附图标记6所指出的，ASIC使能感测时间窗，尝试检测来自相对 光学单元的光脉冲并经由该光学通道来接收数据流。数据被接收并且可以例如被存储在缓 冲器中。这如感测阶段（步骤7)所指出的。
[0077] 在ASIC接收到其期望的字节数之后，向微控制器发回应答。在如此宣布已接收到 数据之后的预定时间内，光学感测的数据从特定收发器元件的缓冲存储器传送到如下微控 制器：该微控制器可以连接至用作与外部部件的连接的接口，或者以其他方式在该特定光 学单元内适当地使用该光学传送的数据。
[0078] 根据本发明，每个收发器元件具有足够的智能来用作接收部件，以用于执行与相 对光学单元的光通信。
[0079] 另一方面，收发器元件中的每一个还可以操作成借助于其一个或更多个发光二极 管经由光学路径向相对光学单元发送数据。相应的数据发送命令可以是至借助于通信总线 彼此连接的收发器元件的直接命令或者广播命令。在该命令后面跟随多个数据字节，该多 个数据字节将会被存储在例如特定收发器元件的控制元件中的易失性存储器内。在接收到 所有数据之后，控制元件将会例如使用前面说明的编码方案来驱动一个或更多个LED光学 地传送信息。然而，对于本领域技术人员将清楚的是，任何其他合适的编码方案也可以用于 数据从一个收发器元件至相对光学单元的光学传输。
[0080] 图13和图14说明用于光学通信的发送过程。再次，微控制器μ C表示包含至少 一个收发器元件的通信总线的总线主控设备。作为示例性说明，图13描绘了两个ASIC，即 ASIC#m. η和ASIC#m. n+1。根据有利的实施方式，数据发送命令也作为广播命令进行传送， 使得所有连接的收发器模块接收并翻译奇偶校验位和地址数据以及检查匹配（步骤1、2和 3)。如果地址不匹配（步骤4)，则特定ASIC此处为ASIC#m. n+1继续等待总线上的新命令。
[0081] 与此相反，如果地址匹配，意味着特定命令意欲由ASIC#m. η执行，则该ASIC对数 据发送命令进行解码并针对必须发送的字节数来检查数据字段。这如步骤5所描绘的。微 控制器现在发送待发射的数据字节并且ASIC将这些数据字节存储在缓冲存储器中（步骤 6 和 7)。
[0082] 在ASIC已根据预定字节数接收所有数据字节之后，收发器模块通过相应地驱动 LED而开始在光学路径上发射信息。这是步骤8中所指的发射阶段。接下来，在ASIC完成 该操作之后，其向微控制器发回应答以证明该命令已被成功地执行。
[0083] 图14示出了图13的发射阶段的细节。根据该示例，首先将第一字节的最高有效 位放到总线上。然而，当然还可以选择不同的数据排列方案。
[0084] 此外，图13还指出针对光学传输所定义的若干有利的时序参数。特别地，Tstakt给 出完全接收到命令时的时间点，而T END表示发射阶段终结时的时间点。在时刻Tstakt与开始 在总线上传送数据之间定义了一定的准备时间T PKE。。参数TSETDZ表示在完全接收到命令时 与所有数据被完全发射到相对光学单元并且还返回到微控制器时之间的时间。时间τ ΤΚΜΤΑ 表不从微控制器向ASIC传送将被发射到相对光学单兀的数据所花费的时间。最后，为了光 学地传送数据，还规划了准备时间，其由T PEMT表示。
[0085] 根据本发明，每个收发器模块具有控制元件122,该控制元件122使分别耦接至一 个或更多发光元件和光接收元件的驱动单元和接收器电路系统结合。在图15和图16中示 出了控制元件122的这两个方面。
[0086] 特别地，图15示出了其中两个发光二极管LEDi和LED2由ASIC122驱动的实施方 式。特别地，控制元件122包括连接至外部驱动晶体管Τ Μνε和两个LED (LEDi和LED2)的发 射器驱动电路156。此外，设置了分流电阻器Rshmt和驱动电阻器R Mve作为外部部件。然 而，本领域技术人员将清楚的是，这些外部部件还可以设置在控制元件122内部。
[0087] 如图15所示，一个或两个LED连接至LED驱动电路，以用于向相对的其他光学单 元或反射表面发射光束。在此情况下，1^0 2是可选的，并且收发器元件还可以以仅1^01进 行使用。对于本领域技术人员，理应清楚的是控制电路122还可以驱动多于两个的LED。驱 动电路156由控制元件控制，并且所发射的光强可以被驱动到不同的指定水平。控制元件 122使用EM_SNS引脚作为来自LED的反馈，使得能够精确地调节电流。发射器驱动块156 控制LED发射的时序和强度。发射器驱动块156具有逻辑元件和模拟元件二者。该块的输 入为定义LED发射的时间、持续时间和强度的逻辑信号。
[0088] LED电流脉冲来源于外部NPN电流放大器的发射极。以穿过外部电阻器Rshmt到 数字地的电压的方式，经由EM_SNS引脚将LED电流反馈到ASIC122。如果发射器驱动电路 156无法驱动LED网络以使得EM_SNS反馈处于规范内，则块可操作成向连接至总线的数字 通信块发送错误信号。
[0089] 另一方面，如图16所示，每个控制元件连接至用于检测辐射的一个或更多个光电 二极管。如已经提及的，根据本发明，ASIC122同时包括分别在图15和图16中示出的两个 方面。
[0090] 特别地，设置了能够评估并联连接的一个或更多个光电二极管phdjpphd2的接收 器电路158。特别地，接收器电路158可以包括高增益跨阻放大器，该高增益跨阻放大器具 有多个输出比较器以检测信号的存在并测量光强。块158具有逻辑元件和模拟元件二者。 特别地，比较器输入可以在光束感测窗期间被选通，如完整的系统所定义的。
[0091] 图17示出了控制元件122的更详细的内部框图，其中专注于光电二极管输入PHD_ IN。如图17所示，光电二极管PHDpPH%的所感测信号被输入至比较器单元160。比较器特 性可以在与图18所描绘的四个不同增益曲线相对应的两组水平之间进行选择。对于每个 增益曲线，存在四个比较器，该四个比较器中的每一个具有其自己的阈值水平和滞后功能。 滞后窗为40%的览度，如冋样在图18中所不的。
[0092] 如图19所示，光电二极管输入的强度水平可以例如通过四个比较器来测量，并且 对光强的评估结果给出存在何种强度水平的信息。如果未达到特定选择阈值，则可以设置 警告装置以向操作者警告所感测的光脉冲的强度低于预定值。
[0093] 图20说明在根据本发明的光电屏障中的光学和电学通信的另一方面。特别地，图 20的时序图说明了第一光学单元与第二光学单元之间的通信，这两个光学单元中的一个光 学单元被定义为主（或者主要）光学单元，而另一个被定义为配对（或者从动）光学单元。 针对光学单元中的每一个示例性地描绘了四个ASIC。然而，根据本发明的通信方案可以与 任何合适数目的收发器元件一起使用。
[0094] 如图20所示，基于数据输出线上发送的来自主微控制器的命令，主ASIC#1. 1朝向 配对光学单元发射辐射。在配对光学单元处，ASIC#1. Γ已准备好接收光学信号，这由块"感 测"表示。在数据输入线上从ASIC#1.1'朝向配对微控制器发送电"应答"。根据本发明， 在特定ASIC处于感测模式时，未将电信号传送到相应ASIC处的总线线路上。这种"静默" 是有利的，原因是总线线路上的每个通信均需要在ASIC引脚上进行数字信号转换。由于光 电二极管（或者任何其他光学接收器）连接至非常灵敏的输入，因此ASIC引脚处的任何数 字转换将会对光电二极管信号造成扰动。
[0095] 此外，图20还示出了各ASIC的交叉信令，其也称为流水线技术。尽管每个ASIC 从接收命令到发送应答需要总共五个时隙，但根据图20的交叉时序顺序使得光信号能够 在每个时隙发射。
[0096] 分别对于主光学单元和配对光学单元，使总线线路上静默的感测阶段与光学发射 和电通信阶段交替，使得始终是一个光学单元有效地传送而另一光学单元处于感测状态。 [0097] 除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则在描述本发明的上下文中（尤 其在所附权利要求的上下文中）使用的术语"一"、"一个"和"该"以及类似参引被解释 成覆盖单数和复数二者。除非另有说明，否则术语"包括（comprising)"，具有"、"包含 (including) "和"含有（containing) "被解释成开放式术语（S卩，意味着"包括但不限于")。 除非本文中另有说明，否则本文中列举的值的范围仅意在用作分别引用落入该范围的每个 单独值的快捷方法，并且每个单独值被并入本说明书就好像其在本文中被单独列举一样。 除非本文另有说明或者与上下文在其他方面明显矛盾，否则本文所描述的所有方法可以以 任何合适的顺序执行。除非另有要求，否则在本文中使用所提供的任意示例或所有示例或 者示例性语言（如"例如"）仅意在更好地示出本发明，而并不对本发明的范围构成限制。 说明书中的语言不应被解释成将任何未要求保护的元件表示为实现本发明的基本要素。 [0098] 本文描述了示例性实施方式。在阅读前述描述时，那些实施方式的变型对于本领 域技术人员将变得明显。发明人期望技术人员适当采用这样的变型，并且发明人旨在本发 明可以以除本文具体描述之外的方式实现。因此，本发明包括所附权利要求中列举的主题 的所有修改方案和等同物，如适用法律所允许的。此外，除非本文另有说明或者在其他方面 与上下文明显矛盾除外，否则本发明涵盖上述元件处于其所有可能变型的任意组合。
[0099] 附图标记

【权利要求】
1. 一种用于光电屏障的光学单兀（102、104)的收发器兀件，所述收发器兀件（116)包 括至少一个光学发送器（118)、至少一个光学接收器（120)以及控制元件（122)， 其中，所述控制元件（122)包括：用于驱动所述至少一个光学发送器（118)发射辐射的 驱动器单元；以及用于感测和评估由所述至少一个光学接收器（120)生成的电信号的接收 器单元。
2. 根据权利要求1所述的收发器元件，其中，所述控制元件（122)被制造为集成电路， 优选地为专用集成电路ASIC。
3. 根据权利要求1或2所述的收发器元件，其中，所述驱动器单元能操作成响应于第一 设定信号而调节所述光学发送器（118)的发射强度。
4. 根据权利要求3所述的收发器元件，其中，所述第一设定信号取决于环境温度和/或 内部温度。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的收发器元件，其中，所述接收器单元能操作成响 应于第二设定信号而调节所述光学接收器（120)的接收器灵敏度。
6. 根据权利要求3和5中的一项所述的收发器元件，其中，所述第一设定信号和/或所 述第二设定信号是作为由所述光学接收器（120)检测的光学信号或作为经由通信总线接 收的电信号而被接收的。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的收发器元件，其中，所述控制元件（122)的所述 接收器单元包括比较器，以通过将由所述光学接收器测量的辐射强度值与预定阈值进行比 较来评估由所述光学接收器测量的辐射强度值。
8. 根据权利要求7所述的收发器元件，其中，设置有用于在所测量的辐射强度低于所 述预定阈值时致动的警告装置。
9. 根据前述权利要求中的一项所述的收发器元件，其中，所述收发器元件（116)还包 括至少一个电输入端子和至少一个输出端子，以用于连接至通信总线。
10. 根据权利要求9所述的收发器元件，其中，所述收发器元件（116)能操作成：响应 于在所述至少一个输入端子处接收到的电信号而传送光学信号；和/或响应于由所述光学 接收器检测到的光学信号而经由所述输出端子来传送电信号。
11. 根据前述权利要求中的一项所述的收发器元件，其中，所述收发器元件能操作成发 射和/或接收并评估经编码的光学脉冲，以用于进行光学通信。
12. -种用于监视监控区域的光电屏障，所述屏障包括至少一个第一光学单元（102) 和至少一个第二光学单元（104)或反射单元，每个光学单元（102、104)包括多个根据前述 权利要求中的一项所述的收发器元件（116)， 其中，所述控制元件（122)中的每一个能操作成控制所述光学单元中的一个光学单元 的所述至少一个光学发送器朝向所述光学单元中的另一个光学单元的对应光学接收器发 射辐射。
13. 根据权利要求12所述的光电屏障，其中，所述收发器元件（116)能操作成在所述第 一光学单元与所述第二光学单元之间执行双向光学通信。
14. 根据权利要求12和13中的一项所述的光电屏障，其中，所述驱动器单元能操作成 从所述接收器单元接收第一设定信号，并且其中，所述驱动器单元能操作成响应于由对应 的相对光学接收器检测到的所测量发射强度而调节所述光学发送器的发射强度。
15. 根据权利要求14所述的光电屏障，其中，所述控制元件（122)包括用于将所测量的 发射强度与至少一个预定阈值进行比较的比较器电路。
16. 根据权利要求15所述的光电屏障，其中，所述控制元件（122)能操作成响应于所述 比较的结果而调节连接至所述控制元件（122)的光学接收器的灵敏度。
17. 根据权利要求15或者16和14所述的光电屏障，其中，所述控制元件（122)能操作 成响应于所述比较的结果而向对应的相对收发器元件传送所述第一设定信号。
18. 根据权利要求12至17中的一项所述的光电屏障，其中，所述光电屏障能够以如下 方式进行操作：在其中所述收发器元件（116)接收光学辐射的时间帧期间，不在通信总线 上执行信号传送。
19. 根据权利要求12至18中的一项所述的光电屏障，其中，所述光学单元中的至少一 个光学单元具有用于将所述光学单元电连接至外部电路的接口元件。
20. 根据权利要求12至19中的一项所述的光电屏障，所述光电屏障具有至少一个中央 控制器，其中，设置有比较器以通过将由所述光学接收器测量的辐射强度值与预定阈值进 行比较来评估由所述光学接收器测量的辐射强度值，并且其中，设置有用于在所测量的辐 射强度低于所述预定阈值时致动的警告装置。
【文档编号】G01V8/20GK104216028SQ201410228845
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2013年5月28日
【发明者】卡尔·曼赫茨, 詹姆斯·爱德华·道谷尔, 乔治·E·罗林斯, 马丁·哈德格, 克里斯托弗·瓦尔特, 丹尼洛·多里齐 申请人:赛德斯安全与自动化公司