CZ295668B6 - Systém a způsob pro obousměrný optický přenos informací - Google Patents

Abstract

Je popsán systém pro obousměrný optický přenos informací. Přenos informací je proveden s pomocí rozptylového světla mezi několika elektronickými komponenty (3, 5) n různými přenosovými spoji, kde pro alespoň (n-1) přenosových spojů je opatřeno krytí (12) tak, aby se zabránilo vzájemné interferenci přenosových spojů, přičemž n různých přenosových spojů je uspořádáno vedle sebe a data lze přenášet klíčováním zapnuto-vypnuto a krytí (12) je integrální součást krytu, ve kterém jsou uloženy elektronické komponenty (3, 5).ŕ

Description

Systém a způsob pro obousměrný optický přenos informací

Oblast techniky

Vynález se týká systému pro obousměrný optický přenos informací. Zejména se týká spojení elektronických součástí prostřednictvím systému obousměrné optické sběrnice.

Dosavadní stav techniky

Elektronické systémy jsou normálně tvořeny skupinami pevných a/nebo proměnných elektronických komponent (subsystémů), které jsou vzájemně spojeny sběrnicí, která přenáší signály z jedné komponenty do druhé.

Systémy číslicových počítačů jsou tudíž například navrženy tímto způsobem. Mnoho samostatných karet nebo elektronických komponent tvoří subsystémy, které jsou integrovány do systému sběrnice, která přenáší signály pro data, úložné adresy, přerušení a podobně. Jedna z těchto karet může například nést procesor pro provoz aplikačních programů, zatímco jiné mohou zase obsahovat řadiče pro pracovní stanice nebo zobrazovací zařízení, adaptéry pro jednotky hromadného úložného prostoru nebo rozhraní pro LANy (lokální sítě) atd. Subsystém však může také obsahovat navigační jednotky, např. pro použití v automobilech a video/zvukových jednotkách nebo v jednotkách dálkového ovládání.

Funkční elektronické obvody na jednotlivých kartách nebo komponentách mají přístup do systému se společnou sběrnicí pro přenos datových, adresových a řídicích signálů podle jistého protokolu sběrnice.

Tento typ balení má důležité výhody. Různý počet typů subsystémů může být například sestaven do systému jako celku. Přizpůsobení systému do příslušného uživatelského prostředí je jednoduché a může být často provedeno uživatelem bez další podpory. Nové funkce a vylepšená technologie se může integrovat bez potíží později bez nutnosti náhrady celého systému. Dále se zlepší diagnostika a oprava systému o možnost oddělení jednotlivých subsystémů.

Je pravda, že běžné pevně připojené systémy sběmic jsou relativně drahé a mají nevýhody. Protože technika elektroniky prochází zvyšující se integrací, konektory pro přenos signálů z jedné jednotky do druhé jsou stále dražší anebo může být spolehlivost dosažena pouze za velmi vysokých nákladů, k tomu se přidávají stále vyšší požadavky na prostor.

V literatuře byly provedeny některé návrhy na nahrazení systémů s paralelní pevnou (měděnou) sběrnicí pro spojení jednotlivých subsystémů elektronického systému, zvláště na poli optických technologií. Navzdory nutnosti převodu elektronických vysokorychlostních signálů na optické signály a naopak bylo navrženo několik systémů s optickou sběrnicí v propojovací rovině, v tomto procesu jsou však optické signály stále pouze přenášeny z jednoho speciálního místa na jiné speciální místo uvnitř optických vláken. Největší problém jak se zdá spočívá ve skutečnosti, že navržené systémy optické sběrnice, které by možná mohly být použity ke spojení většího množství elektronických komponent, jsou mnohem dražší a je třeba je vyrobit tak spolehlivé, jako pevně připojené systémy sběrnice, které mají nahradit při rozumných nákladech. Neobvyklé optické komponenty, přesné uspořádání v komponentech a velikost optických jednotek způsobila selhání v použití optických technologií v elektronických systémech, ve kterých musí velký počet komponentů vzájemně komunikovat prostřednictvím systému společné sběrnice.

- 1 CZ 295668 B6

Je také známo použití světelných komunikačních systémů pro sériovou a/nebo paralelní komunikaci, například infračervené systémy v případě šíření světla v otevřených prostorech se vzduchem jako médiem (dálková ovládání) nebo laserové světelné systémy prostřednictvím optických vláken.

Tyto systémy však mají nevýhodu, že buďto vzájemná interference omezuje použití v tzv. polo-duplexním provozu, přičemž signály mohou být současně přenášeny pouze jedním směrem (dálkové ovládání IR), nebojsou použita optická vlákna nebo kabely se skleněnými vlákny, které jsou citlivé na defekty, mohou být zprovozněny pomocí nákladných modulových systémů a s ohledem na to, jaké problémy nastávají při přenosu světla mezi kabelem a spojením modulu (zásuvkou), například kvůli kondenzaci (laserové světelné systémy).

US 5 113 403 a US 5 204 866 zveřejňuje elektronický systém skládající se z mnoha subsystémů nebo elektronických komponent, které jsou spojeny optickou sběrnicí. Jednotlivé elektronické komponenty jsou uspořádány v pouzdru takovým způsobem, aby jednotky optického rozhraní rozmístěné na každém komponentu tvořily monoaxiální, obousměrnou optickou sběrnici pracující ve volném prostoru, který rozvádí elektrické signály mezi jednotlivými komponenty. Tyto signály jsou přenášeny podél jedné lineární osy jako polarizované světelné paprsky. Zde má každá jednotlivá komponenta jednotku rozhraní sběrnice pro generování ochozích světelných paprsků a přijímání příchozích paprsků podél obou směrů osy v uvedeném pořadí. Jednotky rozhraní používají laserové generátory, foto detektory a amplitudové děliče světla. Přes vylepšení techniky jsou tyto systémy však stále nákladné a počítají pouze s kompaktní konstrukcí ve velmi omezeném rozsahu, protože každá jednotlivá komponenta vyžaduje jednotky optického rozhraní.

Dále tyto systémy vykazují nižší spolehlivost kvůli většímu počtu použitých optických prvků.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu je tudíž zajistit systém pro obousměrný optický přenos informací, který využívá výhody optických technologií na jedné straně a je ekonomický na druhé straně, vykazuje vysoký stupeň spolehlivosti vzhledem ke kazům a také umožňuje kompaktní konstrukci jednotlivých elektronických komponent.

Tohoto předmětu je dosaženo podle tohoto vynálezu systémem pro obousměrný optický přenos informací pomocí rozptylu světla mezi několika elektronickými komponenty s n různými přenosovými spoji podle nároku 1 a způsobem podle nároku 14.

V systému podle tohoto vynálezu je uspořádáno krytí 12 pro alespoň (n-l) přenosových spojů, k zabránění vzájemné interference přenosových spojů, přičemž podstata systému spočívá v tom, že n různých přenosových spojů je uspořádáno vedle sebe a že lze přenášet data klíčováním zapnuto-vypnuto a že krytí 12 je integrální součást krytu, ve kterém jsou uloženy elektronické komponenty 3, 5. Tím se zabrání ve vzájemné interferenci jednotlivých přenosových spojů. Z tohoto důvodu může být jeden přenosový spoj tvořen jako tzv. otevřený přenosový spoj, tj. tento přenosový spoj není krytý. Přestože rozptylové světlo přenášené tímto přenosovým spojem se pak může šířit volně, jiné přenosové spoje nejsou ovlivněny díky svému krytí.

Další výhodná provedení systému podle tohoto vynálezu jsou popsána v závislých nárocích.

Systém podle tohoto vynálezu nabízí výhody optického systému pro přenos informací, jako například nízká náchylnost na selhání, plně duplexní provoz a v případě provedení s více kanály, možnost použití v reálném čase, které mohou být optimálně využity použitím ekonomického zařízení pro přijímače nebo vysílače. Se šířením rozptylového světla ve volném prostoru jsou normálně problémy toho druhu, že bez použití nákladných procesů modulace může být světlo

-2 CZ 295668 B6 najednou přenášeno pouze jedním směrem bez vzájemné interference. To je přípustné pro aplikace, pro které je dostatečné přenášet obsah informací pouze pomalu. Pro jisté požadavky, například pro aplikace v automobilech, však toto není přípustné, protože nastává důležitá rychlá výměna informací v reálném čase. Tato nevýhoda je odstraněna přenosovým systémem podle tohoto vynálezu.

Jako rozptylové světlo lze například použít infračervené světlo (IR světlo), ale vhodné je také libovolné jiné rozptylové světlo.

Použití infračerveného světla jako rozptylového světla umožňuje použití standardních IrDA (Infrared Data Association) prvků, jako jsou jednotky infračervených přijímačů nebo vysílačů a v tomto případě se lze obejít bez elektrických konektorů, optických spojovacích zařízení nebo komplikovaných optických systémů modulů. Není tedy nutný žádný nákladný typ modulace světla, jako je klíčování posunem fáze, modulace kmitočtu nebo polarizací, místo toho se informace přenáší prostě normálními stavy světlo zapnuto a světlo vypnuto (klíčování zapnutovypnuto). Jako přenosového protokolu lze použít známých procedur.

Další výhoda použití infračerveného světla spočívá ve skutečnosti, že systém může pracovat jako pravý systém v reálném čase, tj. nastávají pouze minimální konfliktní doby (latence). Dále je možný přenos sběrnicí, která umožňuje současný přístup několika uživatelů k systému sběrnice (současný přístup více uživatelů).

Protože při použití infračerveného světla se nevytváří žádná elektrické pole jakéhokoli typu a systém je také necitlivý na tato pole, je ideální pro použití v citlivém prostředí. Dále je odolný vůči ranám, otřesům a příslušným prostředím. Má tudíž neobyčejně nízkou citlivost na selhání týkající se kondenzace, prachu. UV záření atd.

Použité subsystémy mohou být jakékoli jednotky vzájemně spolu komunikující, například procesory a také zařízení jako například mobilní telefony, televizory, navigační jednotky nebo grafické jednotky, zvukové/video jednotky a systémy dálkového ovládání.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 schematické znázornění režimu činnosti přenosového systému podle vynálezu obr. 2 zvětšené znázornění přenosového systému podle vynálezu s několika přenosovými spoji uspořádanými vedle sebe obr. 3 jedna elektronická komponenta jako část přenosového systému podle vynálezu obr. 4 několik elektronických komponent uspořádaných za sebou v přenosovém systému podle vynálezu obr. 5 schematické znázornění možnosti současného přístupu několika uživatelů do přenosového systému podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

V tomto příkladě bude rozptylové světlo použité pro optický přenos informací tvořené infračerveným světlem. Lze však použít libovolné jiné rozptylové světlo, např. rozptylové laserové světlo, elektro luminiscenci, atd. Je použito světlo v infračerveném rozsahu vlnových délek (například 870 nm), protože přenosové médium má tu výhodu, že jako vysílací a přijímací zaří

-3 CZ 295668 B6 zení lze použít relativně levné standardní součásti, které jsou běžné ve spotřebním průmyslu, jako jsou infračervené diody, popř. foto rezistory. Jednoduchý přenosový protokol je také výhodný v protokolu fyzické vrstvy IrDA. Při použití jiných vysílacích a přijímacích zařízení lze přirozeně použít libovolný jiný přenosový protokol. Další výhoda použití infračerveného světla spočívá ve skutečnosti, že systém nabízí nej lepší podmínky pro vytvoření systému pracujícího v reálném čase kvůli tomu, že jsou od sebe světelné přenosové spoje vzájemně odděleny. Mezi jiným to znamená, že informace s vyšší prioritou také dostane přednostní přístup k jistým přenosovým spojům, zatímco informace s nízkou prioritou bude odkloněna na jiné přenosové spoje. Dále přenosová rychlost světlaje velmi vysoká a v příkladě použití je závislá pouze zanedbatelně (10 cm odpovídá zhruba 333 ps) na délce přenosu a zatížení systému sběrnice.

Obr. 1 znázorňuje schematicky režim provozu přenosového systému podle tohoto vynálezu. Elektronický systém 1 komunikuje například mezi svými subsystémy 3, 5 prostřednictvím optické sběrnice 7. Sběrnice vysílá příslušné informace v tomto procesu jistými přenosovými spoji z jednoho subsystému do druhého. Pokud subsystém 3 chce například sdělit informace systému 5, generují se elektrické signály 4 odpovídající přenášeným informacím v příslušné komponentě subsystému 3, například procesorové jednotce (není zobrazena), v tomto příkladě se budou tyto signály skládat z posloupnosti 11101001. Tyto signály jsou následně směrovány prostřednictvím řadiče sběrnice, který převezme převod na příslušný protokol a pak směrovány spoji 6 do převodní jednotky 8, například modulátoru/demodulátoru.

Signály jsou pak směrovány spoji 9 tak, že se patřičně zapne a vypne IR dioda 13 jako zařízení vysílače. Zde 1 ve zvolené posloupnosti signálu znamená světlo zapnuto a 0 znamená světlo vypnuto. Elektrické signály jsou tímto způsobem převedeny na světelné signály 10. Mělo by se zdůraznit, že při použití IrDA komponentů, musí nastat převod pulzujícího světla kvůli jejich střídavé vazbě, tj. v případě posloupnosti několika signálů 1 se dioda pokaždé zapne a vypne. Při použití jiných komponent se lze bez pulzování eventuálně obejít, v tomto příkladě je také do série připojen zesilovač (není zobrazen) zesilující signály.

Pulzující světlo vyzařované IR diodou 13 nyní vyzařuje rozptýleně ve všech směrech. Jak již bylo uvedeno výše, může v přenosovém systému podle vynálezu existovat několik přenosových spojů vedle sebe. Aby se zamezilo vzájemnému ovlivňování vysílacích a přijímacích zařízení těchto přenosových spojů ležících vedle sebe, je vyzařované světlo nyní směrováno podle vynálezu podél přenosového spoje opatřeného (v tomto případě ze subsystému 3 do subsystému 5) v krytí 12. Vysílací a přijímací zařízení zde vyčnívají do krytí. Toto krytí tudíž tvoří uzavřený kanál mezi jednotlivými subsystémy.

Rozptylové světlo je nyní směrováno podél označeného přenosového spoje předurčeného krytím odrazem podél vnitřního povrchu krytí, dokud nedosáhne svého cíle, subsystému 5. Tak přijde do styku s přijímacím zařízením 19, které má v-tomto příkladě fotodiodu 15 jako přijímač. Jiné komponenty jsou však na straně přijímače také možné, jako například fotorezistory atd., jak je expertovi zřejmé.

Světelné signály 17 takto přijaté se nyní převedou přijímacím zařízením 14 zpět na elektrické signály 19 odpovídající výstupním signálům 4 a směrovány spoji 16 do převodní jednotky 18, například znovu modulátoru/demodulátoru. Signály jsou pak přeneseny spoji 20 do řadiče 21 sběrnice přijímacích elektronických komponent 5.

Obr. 2 ukazuje zvětšené znázornění systému s několika krytými přenosovými spoji uspořádanými vedle sebe. Každý jednotlivý přenosový spoj lze zde použít pro přenos nezávislých informací podél dvojité šipky zobrazené pro každý směr. Zásluhou krytí podle vynálezu na sebe nemají přenosové spoje žádný vliv. Ve speciální formě provedení systému podle vynálezu je zajištěno osm přenosových spojů, takže je vedle sebe přítomno maximálně osm komunikačních úrovní. Lze však opatřit libovolný počet přenosových spojů.

-4CZ 295668 B6

Takzvaná zařízení pro automatické řízení zisku (nejsou zobrazena) mohou být opatřena v přijímacích zařízeních, přičemž tyto řídicí zařízení znovu zesilují signály, které se ztlumily pohlcením na cestě přenosovým spojem nebo přiměřeně ztlumí signály, které jsou příliš silné.

Ve zvláště výhodném uspořádání vynálezu je krytí jednotnou částí krytu 22 (obr. 3), do kterého jsou vloženy elektrické komponenty (subsystémy). Tímto způsobem může být krytí vyrobeno ve stejném pracovním kroku jako kryt. Nevyžaduje se žádná infrastruktura propojovací roviny, tj. nemusí se zajišťovat žádné subsystémy, protože každý další kryt automaticky rozšiřuje sběrnici.

Obr. 3 ukazuje jednu komponentu se souvisejícími vysílacími a přijímacími zařízeními a odpovídajícím krytím.

Krytí má přednostně světlo odrazivý vnitřní povrch, takže rozptylově šířené světlo může být směrováno podél krytí. Vnitřní povrch je přednostně porézní tak, aby rozptylové světlo mohlo být odráženo co nejnáhodněji ve všech směrech.

Ve zvláště upřednostňované formě provedení se krytí skládá z magnézia, protože magnézium má velmi příznivý poměr váhy ku stabilitě. Je však také možné použít libovolný jiný porézní, kovový povrch nebo syntetický materiál jako materiál krytí. Jediný důležitý faktor je schopnost směrovat rozptylové světlo podél vnitřní stěny krytí.

Protože se rozptylové světlo šíří ve všech směrech, není forma krytí omezena na přímé kanály. Tyto kanály mohou být tudíž směrovány do libovolného tvaru, například zakřiveného nebo ohnutého. Je však výhodné uspořádat různé elektronické komponenty do definovaného prostorového uspořádání za sebou, aby se zamezilo dlouhým cestám a ušetřil se materiál.

Obr. 4 ukazuje prostorové uspořádání tohoto druhu několika subsystémů za sebou. Jednotlivé komponenty jsou k sobě všechny připojeny krytými kanály. Výhody uspořádání tohoto druhu spočívají v modulárním způsobu konstrukce. Pouze vyžadovaný počet komponent je uspořádán společně v každém pouzdru. Kancelářský systém tohoto druhuje tudíž libovolně rozšiřitelný. Do tohoto uspořádání mohou být začleněny dokonce i komponenty, které nepoužívají optický přenosový systém. Pak musí však být přítomen alespoň jeden kanál, který zajistí, aby nebyly ovlivněny jiné přenosové spoje. Navíc nemusí mít tento kanál vysílací a/nebo přijímací zařízení (kombinované vysílače/přijímače).

Kvůli odstranění vzájemné interference přenosových spojů je možné pomocí přenosového systému podle vynálezu provozovat několik komunikačních úrovní vele sebe s použitím difúzního světla bez interference. Existuje tudíž možnost současné komunikace. Zatímco se plně využijí výhody optického systému, je tudíž možné dosáhnout plně duplexního provozu, což umožňuje současnou vícekanálovou komunikaci na několika komunikačních úrovních.

V další upřednostňované formě provedení, jsou kryty všechny existující přenosové spoje.

Následkem toho je, že může několik uživatelů současně přistupovat ke stejnému systému sběrnice. Vícenásobný současný přístup tohoto druhuje zobrazen na obr. 5.

Přenosový systém podle vynálezu tudíž například umožňuje současnou komunikaci subsystému A se subsystémy B a F. Subsystémy C a E nebo D a F mohou spolu komunikovat současně s touto komunikací. Informace mohou být takto přenášeny mezi subsystémy paralelně aniž by nastávalo jakékoli zastavení jednotlivých přenosových spojů. Mohou být zajištěna uspořádání v jednotlivých subsystémech, která přebírají manipulaci s informacemi příslušného subsystému.

Claims (12)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Systém pro obousměrný optický přenos informací za použití rozptylového světla mezi několika elektronickými komponenty (3, 5) s n různými přenosovými spoji mezi každými dvěma komponentami, kde je uspořádáno krytí (12) pro alespoň (n-1) přenosových spojů, k zabránění vzájemné interference přenosových spojů, vyznačující se tím, že n různých přenosových spojů je uspořádáno vedle sebe a že lze přenášet data klíčováním zapnuto-vypnuto a že krytí (12) je integrální součást krytu, ve kterém jsou uloženy elektronické komponenty (3, 5).
2. 2. Systém podle nároku 1,vyznačující se tím, že rozptylové světlo je infračervené světlo.
3. 3. Systém podle jednoho z nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že přenosové spoje mají vysílací a/nebo přijímací zařízení (13, 15).
4. 4. Systém podle nároku 3, vyzn aču j í cí se tí m, že vysílací a přijímací zařízení (13, 15) je infračervená dioda.
5. 5. Systém podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že krytí má světlo odrazivý vnitřní povrch.
6. 6. Systém podle nároku 5,vyznačující se tím, že vnitřní povrch je porézní.
7. 7. Systém podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se krytí skládá z magnézia.
8. 8. Systém podle jednoho z přecházejících nároků, vyznačující se tím, že elektronické komponenty (3, 5) jsou uspořádány za sebou, přičemž jednotlivé komponenty jsou všechny spolu propojeny krytými kanály.
9. 9. Systém podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že osm přenosových spojů je uspořádáno vedle sebe.
10. 10. Systém podle jednoho z předcházejících nároků, v y z n a č u j í c í se t í m , že všechny přenosové spoje jsou kryté.
11. 11. Způsob obousměrného optického přenosu informací pomocí rozptylového světla mezi několika elektronickými komponenty (3, 5) s n přenosovými spoji, kde alespoň (n-1) z těchto n přenosových spojů je .kryto tak, aby se zabránilo vzájemné interferenci přenosových spojů, vyznačující se vysláním dat za použití klíčování zapnuto-vypnuto a uspořádáním jednotlivých komponent za sebou tak, aby byly všechny propojeny krytými kanály (12).
12. 12. Použití systému podle jednoho nebo více z nároků 1 až 10 jako systému optické sběrnice pro elektronické systémy.