CN1021394C - 光导纤维线路控制安全系统 - Google Patents

Abstract

这里提供的一个全冗余安全联锁系统包括：检测光导线路上的光散失装置；与之对应的控制装置，根据检测装置的输出来确定线路的安全状况，并且根据该状况，通过冗余的输出控制信号来控制光发射器输出的辐射能；以及与控制装置对应的，对冗余的控制信号进行传感的装置，它用来联系上述控制装置的输出和发射器驱动电路，从而通过发射器调整辐射能输出，根据本发明提供的设备，控制装置包含一个具有两个独立状态机的电子器件，其中每个状态机都重复确定两个光导通讯卡之间的光导线路的连接状态。

Description

本发明是关于一个安全系统，该安全系统用于限制从一个开放的光导纤维或光导通讯线路中的发射器口所辐射出的辐射能。尤其是，本发明所阐述的安全系统能够和激光光导纤维通讯卡合为一体。从而，它对于检测开放的通讯线路的故障（如通讯线路中的一个光导纤维已被断开或损坏），对于当检测到开放线路出现故障时降低或关断激光辐射能的输出，对于周期性检查以确定故障是否已被排除，以及对于当确定线路安全工作时给激光恢复全持续能量都是行之有效的。

各种类型的激光装置和系统正广泛地应用于各个领域，如在医学技术，通讯和计算技术等领域，这些激光装置和系统越来越为人们所熟知，并已大批量投入市场。

在这些装置和系统中所使用的激光常常能产生大功率的输出，这种输出对人和设备有着潜在的害处，因此，已开发出许多类型的，与这些激光设备结合使用的安全装置，并设计出各种标准以保证激光装置可以被安全地操作，这些安全装置和标准还有待不断地完善，改进。

例如，Imagawa等人的美国专利第4，423，726号，描述了一个为激光射线导向的安全装置（用于激光外科手术），它将一个透镜和一个激光射线接受元件结合起来，用于检测激光射线导向的故障。反射的激光光线用来操作Imagawa等人的安全系统。尽管，它适合于在其所被使用的局部激光系统中检测故障，但是，Imagawa等人不能使一个安全系统控制激光;当检测到故障时不能使一个安全 系统关闭激光（或者降低其输出功率）;不能使一个安全系统适用于长距离的安全控制，例如对于通讯或计算技术中的光导纤维线路。

对于光导数据通讯系统来说，使用反射来检测纤维故障的安全系统既不实际而且又太复杂（规模大且造价高）。因为要将连接器、接头和线路另一端的接收器与检测器的反射光和由于线路中某一点的故障所产生的反射光区分开来是很困难的。

由Doi等其他人的美国专利第4，543，477中介绍了一个用于激光系统的安全装置，该安全系统用于检测医学激光应用中的光传输纤维中的故障，该系统利用反射的激光光线控制一个光阐机构，当检测到故障时，光闸便阻挡光线。

同Imagawa等人的发明一样，Doi等人不能使一个安全系统控制激光;当检测到故障时不能使一个系统关闭激光;而且不能使一个系统适当地进行长距离的安全控制，因为反射作为检测故障的方法被再次的使用。

另一个颁布给Doi等人的专利，美国专利第4，716，288号，介绍了一个用于检测传导纤维中的故障的安全装置，它适用于外科手术中的大功率医疗激光，其特征对于检测纤维的损坏很有意义（利用光反射）。当检测到一个故障时，它使激光丧失作用（以防止纤维过热）。尽管4，716，288号专利的Doi等人的安全系统能使激光失去作用，但象以前的4，543，477专利一样，仍然使用反射光来检测安全问题，因此，它不是一个适用于长距离应用的系统。

还有另一个先有的安全系统技术，这是一个大功率的光导纤维故障检测系统，由Ortiz，Jr.，在美国专利4，812，641中 给出。Ortiz，Jr。，安全系统用在一个使用大功率脉冲激光进行材料加工设备上。该系统能够检测在传输大功率激光能量的光导纤维中的断路或泄漏。当光导纤维出现故障时，便关闭激光束的输送系统。该系统利用分离式传感纤维和检测器来检测传输纤维中的断路和泄漏。

使用Ortiz，Jr.的分离式传感纤维和检测器对于长距离的安全控制应用是十分昂贵的而且存在着问题。由于要求有附加的纤维线路和传感装置，以及要求件加的跨越长距离的纤维等等，使得该系统不适合于和许多纤维光导线路连接使用。

所有上述专利都是处理短距离的光导纤维中的功率传输（少于几米），纤维线路中的任何故障将在反射功率上产生相当的变化（反射量明显地增加），并会产生激光辐射和火灾。然而，一个数据通讯线路在很低的功率水平上运行并且通过很长的距离（如，两公里是常见的距离），光导纤维线路中的故障（如，断开的机械接头）将只产生可见的危害，而且反射功率只产生很小的变化。通过讨论所述的专利，将反射与当前各种不同环境下的应用结合起来使用是不切实际的，因此，需要开发一个全新类型的安全控制系统。

除了要求能够检测激光系统中的故障，并且在检测到故障时及时地关闭激光外，在很多的应用中还要求在故障排除之后能够重新启动激光，恢复运行。

没有任何安全控制系统能够将线路故障的检测能力和一个当检测到故障时能够将激光的辐射能量输出减小到安全水平或关闭激光的控制系统结合起来，所谓的线路故障检测能力是指能够方便而经济有效地检测由特定线路连接的长距离的线路故障。此外，没有任何安全控 制系统能够进行周期性地检查以确定检测到的故障是否被排除，并且当确定线路是安全运行的，则重新使激光恢复全持续功率。

随着光导纤维技术使用的日益增加，它为当今的计算机相互连接应用，通讯应用等中的性能和装配问题提供了解决的方法。小型激光特性卡正在研制之中，如同时在美国申请的，正在审理的相关专利申请（美国申请号462，681）中介绍了光导纤维线路卡，（律师分文号R0889-0259），它和本发明同一天提交并转让给同一受让人，现将在审理中的相关专利申请序号为462，681，列入参考文献之中。

从安全和产品证书的角度来看，最好是一个安全系统能够给每个独立的卡，如前述的在审理中的相关专利申请所描述的卡，提供“故障自动保险”那么，就不用从整个系统的层次上保证安全了。

很多国家对于有着激光光线辐射的产品要求有合格证书，先有技术中激光线路组件依赖于起到屏蔽作用的“外壳”来解决辐射问题。如果能在每个卡上设计出一个安全系统，那么就只需对成为“产品”的卡提供安全证书，而不用对卡的所有不同类型的外壳提供证明。

对于一个光导通讯线路中的开放纤维，上述的激光安全标准和合格检查是非常严格的。例如，欧洲IEC激光安全标准对一级运行规定了，从一个开放的纤维能够辐射出的功率最大水平限制在近似-8dBm，对于连接了所参照的在审理中的相关专利申请中的卡的线路，该功率远远低于该线路光导性能的设计值。

鉴于当前以及还在不断完善中的适用于光导纤维线路系统的标准，包括光导纤维线路卡等，最好是能够在特性卡这一层提供如前所述的“故障自动保险”能力，以减少对一个整体系统的合格检验要求。任 何一个能提供这种特性的安全控制系统必须尽量紧凑以便能安装在一个单独的卡上，它必须能和卡上其他元件相容（根据功率要求、噪音等方面），必须很方便且有极强的实用性，而不受连接卡与激光之间的纤维线路的长度的影响。

因此，一个安全控制系统最好能够（1）以配套的方式，作为连接光导纤维线路的光导纤维卡上的一部分来运行;（2）与包括在双向光导纤维线路中的其他卡上的相同的安全系统协同运行;（3）提供充分的安全特性，使得这种卡能够符合世界上所有现存的关于一级运行的安全规定，并且在出现个别故障的环境下能保持一级运行（该处所定义的一级是按国际电子技术协会IFC标准，公布号第825号，1984年）;（4）方便而且经济有效地检测由特殊线路连接的长距离线路故障（如断开的机械接头）;（5）当检测到线路故障时，减小（或关闭）激光的辐射能输出;（6）进行周期性检查以确定故障是否被排除;（7）当确定线路是安全的，则重新使激光恢复全持续功率输出。

本发明的目标是提供一个可以整装在单独的激光光导纤维线路卡上的光导纤维线路控制安全系统，从而使单独的卡可以满足激光安全标准的鉴定。

该发明的另一个目标是提供一个光导纤维线路控制安全系统，它特别适合于包括在协同操作的光导纤维线路卡上，该卡通过纤维光导线路，用于双向光导数据通讯。

该发明的一个特别目标是提供一个光导纤维线路控制安全系统，它能提供充分的安全特性，使得具有该安全系统是卡能够符合世界上所有现存的关于一级运行的安全规定，并且在安全系统自身出现个别 故障的条件下仍然保持一级运行。

而且，该发明的一个目标是提供一个光导纤维线路控制安全系统，它能方便且经济有效地检测由特殊线路连接的长距离线路故障，当检测到故障时，减小（或关闭）激光的辐射能输出，周期地进行检查以确定故障是否被排除;并且当确定线路是安全的，便使激光恢复全持续功率输出。

根据该发明的一个最佳实施例，提供了一个全冗余的安全联锁系统，它包含了：检测纤维光导线路中光散失的装置;与所述的检测装置相连接的控制器装置，控制器装置根据所述的检测装置的输出来决定线路的安全状况，并根据所确定的安全状况，通过冗余的输出控制信号，控制一个光导发射器的辐射能输出;以及与所述的控制器装置相连接的装置，它对所述的冗余控制信号产生响应，将所述的控制器装置的输出连接到发射器的驱动电路系统，从而调节发射器的辐射能输出。

因而，根据本发明的一个最佳实施例，控制器装置包含一个电子工具，它具有两个独立的状态机，每个状态机重复地确定在两个光导线路卡间的光导线路的连接状态。状态机的输出通过传输冗余控制信号的全冗余路径来剂节（如接通或关断）发射器的驱动电路系统。

此外，根据该发明的一个最佳实施例，状态机能够处在四个状态的任何一个状态下：（1）相应于发射器静态的“检查”状态（即，当发射器是关闭或辐射能输出低于一级水平时）;（2）相应于发射器的激活态（或正常）的“激活”状态（即发射器是连续地输出）;（3）“停止”状态;（4）“连接”状态。在发射器通过第三态，下文称为连接态，从静态向激活态转换的一序列过程中出现状态3和4。

本发明具有与上述目标相一致的操作能力。而且，本发明是简明的，安装在卡上的安全系统与卡使用同一电源，并且具有一个不失效的安全联锁，该联锁确保在给激光供应持续的满功率之前，在双向线路上的两个卡都有安全系统。

本发明的这些以及其他的目标和本发明的特性及获得这些特性的方法对于精通技术的专家将是明易的，通过参照下文详细介绍及附加的图，该发明将会很好地被理解。

图1是一个方框图，它描述了在两个光导纤维线路卡之间的典型的光导纤维线路，其中每个卡上都包含一个按照本发明提供的方法制作的安全系统。

图2是一个按照本发明提供的方法制作的全见条光导线路安全系统的一个实施例的方框图。

图3描述了应一个光导发射器处在前面所述的三态之一时，发射到一个双向纤维线路的纤维中的功率。

图4用图表明了该新颖的光导线路安全系统是如何安装在一个光导线路卡上，以便在安装在每个卡上的光导发射器和光导接交器之间提供一个安全通道。

图5是图4中所描述的开放纤维线路控制器的方框图。

图6是一个框图，它描述了所有的状态以及每个状态机的转换，根据本发明的实施例状态机容合到图4和图5中所描述的开放纤维线路控制器中。

图1是一个方框图，它描述了一个能使用本发明的一个典型光导纤维线路通讯系统，所描述的系统包含两个相同的光导线路卡101和102，它们由光导纤维103和104连接起来。

卡101包含一个发射器和驱动电路系统（见图1中的105单元），一个接收器和一个放大器（见图1中的106单元），以及一个新颖的安全系统，107单元所示。以本发明给出的实施例的方式，安全系统107安装在105单元和106单元之间的通道上。

相同的卡102也包含一个发射器和驱动电路系统（图1中115单元），一个接收器和一个放大器（图1中116单元），及连接在它们之间的安全系统117。

每个安全系统还包含控制电路系统和计时器装置，在安全系统107中控制电路系统标为118且计时器装置标为119，在安全系统117中控制电路系统标为120且计时器装置标为121。

图1还描述了数据输入和输出线路，150和151（101卡的），数据输入和输出线路152和153（102卡的），线路154到157，用来将安全系统107和117分别组合到卡101和102上，线路158和159用作为每个安全系统中的控制电路系统和计时器之间的双向线路。

如图1所示的一个适合于包含在通讯系统中的光导线路卡已在序号为的相关专利申请中介绍了，在此作为参照。该相关申请详细介绍了除了安全系统的详细内容之外图1所示的系统的全部元素（把相关申请中的内容称为光导纤维控制（OFC）电路系统）。

应该注意到单元107和117都包含相关专利申请中所介绍的从属连载器部分（特别是转换检测器）。这个装置的功能，以及它怎样与前述的安全系统协调起来，在下文中，根据对一种检测光导纤维线路中光散失方法的描述，这些问题将会变得显而易见。

在这种新颖的安全系统与相关专利申请所描述的卡的连接使用的 文字中解释了本文所描述的这种新颖安全系统。这种新颖的安全系统实际上是安装在所参考的申请中实施例所描述的卡上。精通技术的专家们会认识到将这个安全系统和这样一个卡结合起来介绍，只是为了说明该系统的缘故，这样的说明并不是想要限制该发明的实用范围，它能够和其他具有不同的能量结构，不同的尺寸大小，不同形状以及不同的组合元条的光导线路卡（接通或断开卡）连接使用。

此外，只是为了说明方便起见，假定，发射器和驱动装置（图1中的105、115元件）是以激光为基础的，尽管可以想象其他类型的光发射器也能够被本文描述的安全系统所控制。

参照图1，根据本发明，在光导数据线路发生断路之后，所要发生的一序列过程将在下文介绍。

如果数据线路103断开（例如，一个连接器断开或纤维断开），116单元（在102卡上）将传送一个光散失信号给在安全系统117（也在卡102上）的控制电路系统120。

控制电路120关闭单元115（在102卡上）的激光，并起动计时器121。由于115单元的激光被关闭，因此在卡101中的106单元上产生一个光散失信号。

因此、控制电路118（在卡101上）将关闭105单元（在101卡上）的激光，于是对于线路的开放端产生一个安全的环境（即没有激光辐射泄漏）。

当每一个激光被关闭时，与激光相关的控制电路的每个计时器便被启动，经过预定时间T后，每个卡上的控制电路系统将短暂地打开它们相应的激光t时间，以检查线路的状态。

如果线路现在是闭环（数据线路103被重新连接），那么，在 两个卡之间会产生一个重新连接的交换处理，然后激光将恢复正常运行。如果线路仍然断开着，重新连接的交换处理将失败，激光将再次关闭T秒，再重新进行状态检查。

根据本发明的一个实施例，应该注意，关闭计时器或从其他卡上接收到一个光信号将会产生重新连接。于是，两个激光的开和关将自动同步。

如果103，104两个数据同时断开，两个卡的接交器中会产生光散失信号，因此两个卡会独立地关闭激光。直到两条数据线路都重新连接并且在卡之间产生正常的重新连接交换处理后才会恢复正常运行。

使用计时器并且在一段预定时间之后重新打开激光，使得整个系统在一个事故之后或在一个或多个连接器之间进行有目的的断开和重新连接之后，能恢复到正常状态。如果这个定时重进入机制出现故障，整个外部系统将被关闭。并重新启动以使线路再次开始运行。

当完成系统的启动（整个系统见图1）或完成线路重新连接，本发明在卡101和102之间设计一个交换处理操作，以确保在光导纤维线路的另一端的元件是另外一个卡，该卡在线路中发生断路时能够关闭。如果线路另一端不响应交换处理，那么根据本发明，激光将保持静态（或不发射或每T秒产生瞬时脉冲），从而保证线路安全。这种电子安全装置以一种不会失效的安全联锁的方式工作。

该发明在线路开放期间使用了周期脉冲技术（取代CW操作），从而把最大可能的辐射暴露减小到低于由现在国际标准对一级运行所规定的值以下。

在引用的相关专利申请中所介绍的卡上的连裁器模型中的安全电 路系统（不是本文描述的安全系统），控制激光的驱动电流，并检测各种电子故障。开放纤维线路控制（OFC）模型相应于本文所介绍种安全系统，无论何时，只要在两个卡，例如图1的101和102之间由于光线路损坏或断路而断开，它就能够封闭连裁器模型和它的驱动电路系统。

甚至在出现信号故障时，为了保证全安性，本发明使用了一个全见条的安全联锁系统。

图2是安全系统的一个实施例的方框图，描述了一个全见条光线路安全系统。

两个独立的光接受器，201和202，用于确定检测器210的光，每个接收器的输出以及从一个计时器的输出（图2中的两个计时器220和221，包含在图1的计时器119和121中）被传送给两个独立的状态机中。这两个冗余状态机，如图2中的203和204，能够定卡101和102之间的光线路的连接状态。

此外，需要两条极性相反的分离控制线215和216以激活连裁器中的激光驱动电路，如图所示的单元250。图2表明为了和本发明的实施例相协调，通过安全系统的通道是全冗余的。

根据本发明的实施例，图2中的接受器201，包含有相关申请中的转换检测器，及一个数字滤波器。图2中的接受器202，包含有相关申请中的DC检测器和一个分离的数字滤波器。作为安全系统的一部分，这些设备的功能和组成部分将参照图4和图5详细介绍。

根据本发明的实施例，图2中的每一个状态机203和204存在着四个状态，一个是静态，或者说是激光产生脉冲输出的检查运行状态;一个是激活态或者说是激光连续发射的正常运行状态，还有两 个状态用于连接使激光从静态向激活态转换的一序列过程。

根据本发明的所述，图3表明了在激光运行的三个状态（静态、激活态、和前述连接序列态）期间，发射给纤维的功率。

在连接时，使用了两个阶段的交换处理，以阻止光导连接那些不具备开放纤维线路控制功能的其他硬件。

根据本发明的一个说明性实施例，定义了四个时间周期，如图3所示，两个3毫秒的光触发脉冲，在此期间发射光脉冲;一个7毫秒的光触发脉冲，在此期间安全系统来确定有着安全系统的另一个卡是否和线路连接着;一个48.8秒的光触发脉冲，在此之后将试着驱动一个静态激光。

选择3毫秒、7毫秒和48.8秒光触发脉冲，只是为了说明本发明的原理。对一个具有安全系统的如引用的相关申请所介绍的卡来说，一个长达2公里的光导纤维线路要选择特定的值，并且，实现安全系统的电子设备要类似于下文中所介绍的那些元件。

精通技术的专家们会认识到脉冲激励的时间长度（上述的3毫秒脱冲）是随整个系统所要求的光导功率，激光驱动电路的响应时间，以及所要满足的激光标准而变化的。如等级因子（一级、二级，3B级等）;激光的波长;在适当的时标期间脉冲次数（时标依赖于标准和等级）;一个单脉冲的可发射强度（AEL）（它依赖于等级，波长，脉冲时间、以及安全标准）;最坏的环境及影响激光功率的激光使用期限;在一个特定的应用系统中，确定脉冲激励的时间长度必须考虑上述所有的因素。

48.8秒“重复”时间触发脉冲是通过考虑同样的因素来确定的（因为最大的功率与空时间相关联，所以在两个时间之间有一次给 和取，即、激励时间被重复时间除）。决定“重复”触发脉冲的另一个因素是外部系统愿意等待被送出的重新连接信号多长的时间。

7毫秒触发脉冲是随控制电路响应时间，以及光线传送到线路的另一段并返回来所需要的时间（在最长通路上）而变化的。

图3的A部分描述了在激光处于静态时，发送给纤维的功率。静态也即当系统刚被启动，或激光已被关闭时，每48.8秒发生一次3毫秒的脉冲激励。在ABC三个部分中的“SP”定义为发射给纤维的功率给定值。

每图3的B部分描述了激光的激活态，即激光输出恒定功率。

图3的C部分，描述了激光的连接序列状态，该设计用以确保具有一个合适的安全系统的另一个卡和光导纤维线路在远处是相连的。这个序列防止安全联锁被一个调制光源所破坏。

图3的C部分说明有时在纤维被连接之后（图3A部分的一个48.8秒触发脉冲的末端所示），由一个卡的安全系统送出一个3毫秒的激励脉冲。该卡的安全系统，如下文所述，将检测在3毫秒的触发脉冲期间的返回光。

在图3C部分的第一个3毫秒触发脉冲的结尾，激光被关闭着。如果在第一个3毫秒的触发脉冲期间检测到返回光，那么7毫秒的触发脉冲开始，在此期间，安全系统检查返回光的散失。这将表明具有一个相应的安全系统的卡是否确实与线路的另一端相连接。

如果在7毫秒的触发脉冲期间发生了返回光的散失，那么激光在7毫秒触发脉冲完结后再激励3毫秒。如果在3毫秒触发脉冲结速时检测到返回光如图3C，在卡的安全系统控制下激光返回恒功率。

假如与线路这端连接的设备中不含安全系统，那么在7毫秒触发 脉冲期间检测返回光将失败，激光或者返回静态（图3A部分），或者无限期关闭。

现在说明图4。该图系统地说明了如何组成一个新颖的安全系统。425是开放线路的控制器，具有如引用的相关专利申请中所描述的激光控制电子元件。

控制器425插在光电控二极管480和放大器499的组合部件例如（和图1的106相对应）与连载器451（根据所参照的申请，451包含激光驱动电子线路）和激光器450（例如相应于图1的105）的组合部件之间的通道上。

一个冗余的激光开关，三极管401，由一个附加的PNP三极管402作为其门控制。三极管402（由负关闭控制线路490所传递的）的低电位输入强追激光器450关闭。在连载器451中的正常激光（参考申请中所介绍的适用于本发明的连载器），由正向关闭控制线路491控制。

当线路491是高位，激光器450被追关闭。由于启动激光器450同时需要高位和低位逻辑线路，因此电源电压的问题不能追使一个随机的激光工作。

如图4所示，两个光敏传感器用来作为上文所述中的接收器的冗余部件。从属连载器452，通过线路498与控制器425相连，并包含一个光敏传感器，一个外包检测器，根据本发明的说明性实施例外包检测器的启动要求一个最小的交流电压全幅值，频率大于1MHF。由于光电控二极管480是由交流电连接到交流接受器的，因此，泄漏的直流电不能启动它。

第二个检测器加入了电阻437、468和469，电容器483 和一个三极管（403），用来检测平均直流电流的光电控二极管电路系统，根据本发明说明性实施例启动三极管403要求光电控二极管电路至少有10微安的电流。

当没有光线时，光电控二极管480传导低于1微安的电流，于是追使三极管403关闭，正光散失直流线475处于高电位。

光电控二极管480为两个传感器所共有，可是，由于暗流的增加所导致的光电二极管的故障（只是工业上报告过的故障状态）只能够启动直流传感器，而不能启动交流传感器。

根据本发明，在激光器450被激活之前，两个传感器必须检测从光电控二极管480传出的光和光散尖（光散尖表明在光导纤维线路的另一端有实用的安全装置）。

与光线路卡连接的外部系统（用户系统）要求保持电源电压为5.0伏特，上下波动在20%的范围之间。在此范围之内，新颖的安全系统是实用的，并能根据线路状态做出正确的判断。

图4描述了POR（能量复位）线路487。在这条线路中的信号可以被安全系统所使用，但是安全状态并不依赖于该信号的出现。能量复位的散尖或者能防止任何激光连通的努力，或者导致两个冗余的电路永不同司。如果它们不同步，那么，两个冗余的“激光激活”信号将在不同的时间发生，则激光永远不会被激活。

图4所示安全系统还包括小线路471，便于从控制器405输出一个线路静态信号;（2）线路409，便于输出激光故障信号;（3）线路472-474，分别用于输入一个隐蔽启动信号，一个发射时间信号和一个强制激光关闭信号（从用户）。

根据本发明的实施例，控制器425能够在组装在28管脚的塑 料无铅芯片载体模型的CMOS门阵列上实现。这个模型能够包含在所引用的专利申请中所介绍的光线路卡上，能够连续地监控它所连接的光数据线路的状态。在安全系统中无信号故障将激活如450的激光。

图5是控制器425的框图，本图只画出了本发明必须介绍的有作用的输入和输出，其他的输入和输出（用于测试目的的）未被画出。精通技术的专家们会意识到这样的输入输出是合乎要求的。

为了使图5中实用的输入和输出与图4中的原理图相一致，图5中某些输入和输出线路的参照标号与图4相同。

图5中控制器425的方框图表明，控制器采用两条控制通路，在激光激活之前，它们必须被满足。这保证了光安全所要求的有效冗余。

每个通路包括一个数字滤波器、状态机和一个计数器。第一个通路在输入线498和负激光关闭线490之间，包含数字滤波器501、状态机502和计数器503。第二个通路在输入线475和正激光关闭线491之间，包含数字滤波器524、状态机505和计数器506。

计数器503与状态机502相连接（通过线路576和577）;同时，计数器506和状态机505相连接（通过线路578和579），并且通过线路597与时间检测器541相连（541将在下文中介绍）。

内部的冗余（控制器425之内）是由两个上文中所述的光检测器和通过图4的线路490和491控制的两个“激光关闭”电路从外部实现的。

两个光散尖检测器各自馈给一个数字滤波器。每个滤波器的输出和从相应的状态机中输出的激活态信号（通过图5中线路520和521所反馈）：被“OR/EQL”功能块（图5中的507和508）所使用，从而产生控制器425所固有的独立的光散尖信号（LOL）（如图5线路511和512）。

“OR/EQL”功能块的设计使得无论何时，一旦激活状态线是低电位（状态机处于检查，停止或连接态）时，那么，为了使LOL的输出信号改变逻辑电位，两个数字滤波器的信号必须一致。因此，在检查或连接状态，LOL线将初始比为高电位（LOL＝1），为了使LOL转换到低电位（LOL＝0），两个数字滤波器信号必须同时表明有光线（逻辑为0）。同样，在停止状态，LOL初始比为低电位（LOL＝0），为了使LOL转换到高电位（LOL＝1），两个滤波器必须同时表明光散尖（逻辑1）。但是，如果状态机处在激活状态，将数字滤波器的输出进行一次简单的“或”运算形成LOL信号。从而允许检测到光散尖的两个光检测器之一去使状态机退出激活态并关闭激光。

光散尖信号（LOL）用来使计数器和状态机同步。状态机控制由控制器425所完成的连接程序。这些机构的状态图在图6中给出，后面将详细介绍。

每个状态机（502和505）控制一个“激光关闭”输出线（490和491），它们和独立的“激光关闭”电路相连接。当控制器425检测到线路是断开的，计数器（503和506）控制激光脉冲的工作周期。计算器给数字滤波器提供低频采样的时钟脉冲（通过线路590和591）。

数字滤波器501和504集成输入信号次提高它们的可靠性。滤波器用一个22MHZ系统时钟，每93微秒采样一次。本发明的说明性实施例所使用的滤波器为了转换输出状态，每工作一次需要8个脉冲。因此，对这些滤波器来说，最小的搜索时间是8×93微秒或者说774微秒。

控制器425还包括一个环形振荡器540，它用于驱动时钟检测器541，用于监测通过线路473输入的“发射时钟”信号。如果“发射时钟”信号持续在高电位或低压电位上，时钟检测器541将关闭激光。这个装置为输出给芯电的单一时钟提供了一个补充安全特性。时钟频率的变化将导致脉冲宽度和重复次数进行合理的划分，使得激光发出脉冲的工作周期（占空因数）不受时钟频率变化的影响。本发明的说明性实施例的这种设计使得当和如果输入时钟脉冲快了三倍时，那么对于激光来说，脉冲时间太短，而不能起动;如果时钟频率降低到3MHZ，那么时钟检测器将关闭激光。

图5的时钟发生器596，从“发射时钟”信号473产生两个不太重叠的信号。用于作控制器425中所有的内存元件的时钟。

所提供的激光关闭和一个电子隐蔽输入（输入474和472）能够由一个用户从外部控制。虽然用户能够通过命令方式立即关闭激光，但却不能将激光打开。只有控制器425能激活激光。如果线路在执行“激光关闭”和“隐蔽”命令之前是激活态，那么当“激光关闭”或“隐蔽”命令恢复到原状态时，本发明的说明性实施例将立即送出一个3毫秒的激光脉冲去检查线路的当前状态。如果线路在执行“激光关闭”和“隐蔽”命令之前是静态，那么在发生3毫秒激光脉冲之前，必须经过48.8秒的等待时间。

在“能量重置”（POR）情形下，控制器425将阻止暴露任何不安全的激光辐射。直到接收到一个有效的“能量重置”信号之后48.8秒，才能试图打开激光。因此，甚至在初始能量上升期，安全控制电路也在发挥作用。

最后图5描述了de-glidch电路515和516，它们确保负能量重置、负隐蔽启动和正激光关闭输入的稳定性;和图5说明的其他标准逻辑，作为控制器425各种输入输出的门控制器。

现在说明图6，这是一个方框图，描述了所有的状态。以及每个状态机的转换，根据本发明的最佳实施例，它们被组装在纤维线路中的控制器425中，如图4和图5。每个状态机确认在纤维的另一端的卡上都有一个开放纤维传感电路系统。下文描述了所有的状态以及其转换。

每个状态机4个变量以控制状态间的转换。光散尖（LOL）信号通过前文所述的“OR/EQL”功能形成，因此两个传感器必须一致经过检查，停止和连接状态来启动线路，但是一旦任何一个被启动的光传感器检测到没有光将停止线路。

三个解码器（图6中D1，D2，D3）信号由控制器425中的每个计数器所产生。解码信号用来确保由于纤维实际输入到某个连接器所产生的非开-关-开程序能偶然地表明线路是安全的。每个解码信号的调节是依靠说明性实施例的22MHZ时钟的输入。如果时钟频率发生变化，所有的计时将相应地改变。

下面是控制器425所有的四个状态的单独介绍。精通技术的专家们一旦理解了每个状态机所期望的功能，就能用分离电子元件实现控制机425中所需要的状态机。

假定状态机是从“检查”状态开始，图6中第601块。在检查状态，控制器425通过每48.8秒发射一个3毫秒光脉冲来检查光导线路是否关闭着。只要光散尖（LOL）保持高电位，控制器425持续检查状态。只有当光发射了，并由光线路卡接受到，才退出检查状态。如果控制器425响应了一个输入脉冲或响应了接受到一个输出脉冲的响应，也将满足检查状态的退出条件。

如果在3毫秒D1光脉冲发射期间（D1＝1），光散尖成低电位（接受到一个回答），那么控制器425退出到停止状态，如图6中602。

从检查状态退出的第二条途径是：如果在48.8秒等待期间的某一时刻，光散尖信号变低位（LOL＝0）。控制计时的计时器被零，D1置为高位（D1＝1），响应接受到的光脉冲，发出一个3毫秒脉冲，从而使得控制器425退出到停止状态（通过线路651）。

在停止状态，7毫秒D2计时周期（D2＝1）开始，控制器425关闭激光以检查在纤维线路的另一端的卡是否作出相应的响应，以证实在另一个卡上有相应的开放纤维安全电路系统。直到3毫秒D1脉冲完成，激光才关闭（D2＝1周期没有开始），从而保证该脉冲的长度是够另一个卡完成接收D1脉冲并送回信号。只要光散尖是低电位（即光正在被接收），控制器425保持在停止状态（如线路652所示），这可能是一个无限的周期。

从停止状态（通过线路653）退出的一个可能是当LOL＝1并且D2＝1。在控制器425关闭激光的）毫秒之内，光线不再被接收到，就会出现上述的LOL＝1    D2＝1情况。这是在纤维另 一端的卡的正确响应，控制器425将进入连接状态，如图6中603所示。

从停止状态（通过线654）退出的另一个可能是，当LOL＝1    D1＝0且D2＝0。在控制器425经过了7毫秒D2周期之后（D2＝0），光不在被接收到，这种情况便形成了。控制器425于是退回到检查状态，在送出另一个3毫秒D1光脉冲之前等待48.8秒的计时期。

在连接状态，控制器425送出一个3毫秒光脉冲，以证实在纤维另一端有卡的线路是安全的。直到7毫秒D2周期结束，脉冲才被送出。

在3毫秒脉冲期间，控制器425等待对它的D3脉冲的响应，保持在连接状态，D3＝1，LOL＝1，（线路655所示）。

当D3＝1且LOL＝0时，退出连接状态（通过线656）。该情形表明另一个卡响应了D3脉冲。控制器425进入到激活态，如图6中604所示。这是一个正确的响应。

当D2＝0且D3＝0时，是另一种退出连接状态的情形。这表明在纤维线路另一端的卡在所要求的3毫秒内没有作出回答。控制器425关闭激光，进入检查状态，在发出另一个试图连续线路的D1脉冲之前等待48.8秒。

最后，图6的激活态（604）。在激活态期间，控制器425接通激光。只要能接收到光，则控制器425保持在激活态，即LOL＝0，如线659所示。

从激活态（通过线658）退出的唯一途径是LOL＝1（接收不到光）。这可能是由于纤维断路或卡由于某种原因关闭激光所致。 控制器425于是进入检查状态。

在控制器其自身和其他光导线路卡相连接的环路之间的任何地方其发生断路事件，则激光的操作绝对由控制器425来控制。在线路断开期间，控制器425使用脉冲是为了使激光辐射的暴露不超过一级限制，同时又能使得在线路再次接通时，恢复正常运行。因此，控制器425使用了原先所介绍的再连接交换处理，以确保在线路另一端的卡上有一个合适的实用安全系统。控制器425为光线路卡提供了一个电子安全联锁。

至此，介绍了一个能满足前文所提出的所有目标的安全系统。精通技术的专家们会认识到，前面的描述只是为了说明和介绍该发明而提出的，并不是为了穷举该发明，或将该发明限制在一个精确的结构上。显然，根据上述介绍，可以对该发明进行很多的修改和改变。

本文提出实施例和例子是为了能够最好地解释该发明的原理及其实际应用，从而使得精通技术的专家们能在各种特定的装置上很好地使用该发明，并且为了适用于各种特殊的用途能对此发明进行各种修改。

Claims (21)

1、一种用在光导纤维线路中的全冗余安全联锁装置，使用在具的光信号输出装置、光信号输入装置以及连接所述输出和输入装置的光导纤维线路的系统中；其特征在于包括：

(a)检测装置，与所述光导纤维线路相连，用于在所述线路上检测光损耗，包括光探测器和分别输出至少两个独立的光损耗信号的信号输出装置；

(b)控制装置，与分别输出的所述信号输出装置相连，用于至少部分基于所述检测装置分别输出的独立的光损耗信号的值，控制光发射器的辐射能量输出。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于：所述控制装置包括限制装置，用于无论何时当上述光发射器连续输出辐射能量和任何一个上述光损耗信号表明线路中有光损耗时，限制或半闭由上述光发射器产生的辐射能量输出。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于上述控制装置包括：

（a）响应表明线路闭合的信号以及表明在线路的另一端连有起作用的安全设备的另一信号来测定所述线路安全状态的测定装置，包括输出至少两个不同的表示上述安全状况的信号的装置;

（b）对应上述测定装置的输出装置，用以输出响应上述不同信号的冗余信号，这里所说的沉冗信号可用来通过所述发射器去控制辐射能量输出。

4、根据权利要求3的装置，其特征在于：

上述测定装置还包括一些状态机，每个状态机包括多个状态，各对应于发射器的多个模式之一，其状态与上述独立的光散失信号一起被用来测定所述线路的安全状况。

5、根据权利要求4的装置，其特征在于：

上述测定装置还包括一些计时器，每个计时器都与一个上述的状态机相连。

6、根据权利要求3的装置，其特征在于：

具有互连装置对应于上述输出装置，以将上述冗余信号与发射器驱动电路互相连接起来。

7、根据权利要求6的装置，其特征在于：

上述互连装置包括一个冗余激光开关，它要求极性相反的冗余信号输入以持续激励所述发射器。

8、根据权利要求1的装置，其特征在于：

上述检测装置还包括至少两个独立的光传感器。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于：

至少上述光传感器中的一个是交流偶合光检测器，并且至少上述光传感器中的一个是直流偶合光检测器。

10、根据权利要求1的装置，其特征在于：

上述的控制装置还包括根据用户输入的控制信号关闭上述发射器的装置。

11、根据权利要求1的装置，其特征在于：

上述的控制装置还包括给用户发出静态线路状态信号的装置。

12、根据权利要求3的装置，其特征在于：

上述控制装置对用户通电重置信号有响应。因此，在允许发射器持续激励前，首先测定所述线路的安全状况。

13、根据权利要求4的装置，其特征在于：

上述每一个状态机至少包括一个检查状态，对应于所述发射器的静态;一个激活态，对应于所述发射器的激活态;一个停止状态和一个连接状态，存在于所述发射器处于连接态时。

14、根据权利要求13的装置，其特征在于：

经上述控制装置输出的冗余信号，对于使所述发射器在静态斯间以预先确定的频率发射脉冲是有效的。

15、根据权利要求13的装置，其特征在于：

经上述控制装置输出的冗余信号，对于在所述连接态期间使所述发射器输出重新交换处理信号，以及使上述控制装置测定所述线路是否闭合，并测定在该线路的另一端是否存在起作用的安全装置是行之有效的。

16、根据权利要求15的装置，其特征在于：

经上述控制装置输出的冗余信号，对于禁止给所述发射器提供持续能量，除非上述控制装置在所述连接态期间测定所述线路是闭合的且在该线路的另一端包含实用的安全装置是行之有效的。

17、根据权利要求13的装置，其特征在于：

经上述控制装置输出的冗余信号，对于在激活态期间给所述发射器提供持续能量是行之有效的。

18、一种为光导纤维线路提供全冗余安全联锁的方法，这里所说的线路包括一个第一光导纤维、一个第二光导纤维、第一和第二光导线路卡，其中每个卡都能在所述线路上发射和接收数据，而且这里所说的第一卡包括一个第一光发射器，以在上述第一卡和第二卡之间经过上述第一光导纤维、第一接收/放大装置、第一安全控制装置和第一计时装置发射光信号;而且这里所述的第二卡包括一个第二光发射器，以在上述第二卡和第一卡之间，经过上述第二光导纤维、第二接收/放大装置、第二安全控制装置和第二计时装置发射光信号，其特征在于：

（a）无论何时当上述第一光导纤维断开时，停止上述第一和第二光发射器工作，其步骤如下：

（a1）当上述第一光导纤维无论何时从线路中断开时，通过上述第二安全控制装置所用的上述第二接收/放大装置，产生一个第一光散失信号;

（a2）响应于上述第一光散失信号;通过上述第二安全控制装置关闭上述第二光发射器;

（a3）通过上述第二安全控制装置，启动一个由上述第二计时装置控制的计时器;

（a4）通过上述第一接收/放大装置产生一个第二光散失信号，这里由于上述第二光发射器被关闭的缘故;

（a5）响应于上述第二光散失信号，因此产生一个对上述第一光导纤维断开造成的开放线路的安全状况;

（b）当上述第二光发射器按步骤（a2）关闭时启动一个由上述第二计时装置控制的计时器;

（c）当上述第一光发射器按步骤（a5）关闭时启动一个由上述第一计时装置控制的计时器;

（d）在时间间隔下之后，同时将上述第一和第二光发射器都启动一个短时间间隔t，以便检查该线路状况。

19、根据权利要求18的一种方法，其特征在于：

一种通过上述第一和第二安全控制装置产生重新连接交换处理信号的步骤，以验证闭合的线路状况，并且验证在该线路的两端都存在起作用的安全装置。

20、根据权利要求19的一种方法，其特征在于：

如果通过上述交换处理信号验证了闭合线路状况和该线路两端存在一个起作用的安全装置，则允许通过第一和第二光发射器输出连续的辐射能量的步骤。

21、根据权利要求20的一种方法，其特征在于：

如果上述交换处理信号没有验证闭合线路状况和该线路两端存在一个起作用的安全装置，则关闭所述第一和第二光发射器一个时间间隔T，并且重复步骤（d）的步骤。

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