CN101473234A - 用于确定场强的方法和电路装置以及集成电路 - Google Patents
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Abstract
用于确定载波信号场强的电路装置,包括:一具有天线(202)和输出端子(N1)的天线电路(214),在该输出端子上存在一输出电压(UAF)和/或输出电流形式的输出量,该输出量是场强的函数和天线电路(214)特性参数的函数;一参考输入量产生单元(216)用于产生具有已知参考频率和参考幅值的参考输入电压(UI)和/或参考输入电流的形式的参考输入量;一与天线电路(214)和参考输入量产生单元(216)耦合的、可控制的转换单元(215),该转换单元根据控制状态对天线电路(214)加载以参考输入电压(UI)或使天线电路(214)与参考输入电压(UI)去耦合;一求值单元(205),它这样构成,即:它对不施加参考输入量(UI)时的输出量(UAF)和施加参考输入量(UI)时的输出量(UAI)求值以确定场强。
Description
本发明涉及用于确定场强的方法和电路装置以及集成电路。
对于用于车辆的所谓免钥遥控进入系统,车辆的解锁不是借助机械式的钥匙,而是借助一个电子钥匙媒介或一个电子钥匙,例如构造为其上设置有操作元件的模制件。在该钥匙媒介上或其内部设置有一个或多个集成的电路,这些集成电路实现电子钥匙媒介或电子钥匙的功能。
作为与电子钥匙对应的配合件,在车辆中设置有一个所谓基站,它与电子钥匙无线地通信或交换数据。
为了车辆的解锁或闭锁,由使用者操作电子钥匙上的对应操作元件,由此启动电子钥匙或其集成电路与基站之间的数据传输。当在基站与电子钥匙之间传输的信息符合一个兼容的协议并且具有所期望的内容时,借助基站来解锁车辆。
对于所谓被动进入/被动离开系统或被动进入-离开(PEG)系统,不再需要操作钥匙来闭锁或解锁车辆。车辆使用者仅需要将例如呈卡的形式的电子钥匙媒介带在身上。
当使用者操作车辆门把时,在车辆中检测到该操作并通告基站。然后,基站对电子钥匙媒介发射一个例如具有125kHz频率的低频载波信号。通过该低频载波信号也可附加地对电子钥匙媒介传送数据。
为了接收低频载波信号,钥匙媒介具有一个带有例如线圈形式的天线的天线电路,其中天线电路产生一个输出量,例如一个电压,该输出量为场强的函数和天线电路特性参数的函数。
在本申请人的德国专利申请DE 101 59 551 A1中描述了一种用于获得场强信息或用于确定场强的示例性电路装置。
使用该输出量来确定钥匙媒介与基站或与基站的一个或多个发射天线的距离。如果在车辆的不同位置上,例如在前部区域和后部区域上,设置一个以上的发送天线,则也可基于所求得的到相应天线的两个距离通过所谓三角测量法来确定使用者或钥匙媒介相对于车辆的位置。
为了与钥匙媒介相对于基站发射天线的定向或方位无关地确定场强,已知一些装置,其中设置有三个分别相互垂直布置的天线线圈。这些天线线圈各自的场强被矢量叠加,以便计算合成的场强。
如果求得了基站的天线与钥匙媒介天线电路的天线之间的距离,则接着检验,所求得的距离是否在允许的容差范围内。如果是这样,则可以通过解锁所有的锁或仅解锁确定的锁而进入车辆。仅解锁确定的锁可取决于使用者相对于车辆处于何位置。
如果使用者接着进入车辆并操作一个用于启动发动机的起动按钮,则在钥匙媒介中同样借助场强测量进行距离确定或位置确定。如果由位置确定得知:操作者位于起动发动机所要求的位置上,则发动机被起动。
除了进入控制及发动机起动外还存在多种其它的应用情况,其中,进行距离测量,例如当操作者下车并离开该车辆时。
由以上实施形式可清楚地看到,对基于钥匙媒介中的载波信号场强确定的距离测量或位置测量提出了高的精度要求。
如上所述,为了通过天线电路测量距离,产生一个输出量,例如一个输出电压,它是场强的函数和天线电路特性参数的函数。各个天线电路的特性参数反映对应的天线电路元件的容差、制造分散度和其它特有性能。
每个天线电路具有其特有的特性参数,这些特性参数在实践中可能有显著偏差,因此,在相同的场强下,对于不同的天线电路得到不同的天线电路输出电压。如果例如为了计算距离而在各个钥匙媒介中存储一个非特征性的表格,在该表格中存储输出电压与场强的对应,则可导致距离计算时的明显误差。
为了考虑该问题,通常在制造过程期间进行费事的钥匙媒介或天线电路测定。为此例如可由一个测定站从外部预给定一个已知的参考场强,该参考场强用于在对应的钥匙媒介上产生一个校准量。该方法非常费事并且仅考虑测定过程期间参数状态。通过制造过程期间的测定或校准不能掌握由于时间影响、温度和变化的工作电压所引起的特性参数变化,即,在这种长时间影响下,距离测量相应地变差。
另一重要问题在于,天线电路或其天线与其周围的金属物体例如钥匙圈相关地受到很强的阻尼,由此其特性参数也与情况相关地明显改变。这些影响也不能通过制造过程期间的测定或校准来掌握。
由GB 2 307 050 A公知了一种用于测量天线系统的特性参数的方法,其中为此产生一个呈以符号顺序调制的载波信号形式的参考输入量,天线系统被加载以这样产生的参考输入量。
本发明的任务在于,提供一种用于确定载波信号的场强的方法、一种用于确定载波信号的场强的电路装置和一种用于钥匙媒介的集成电路,它们使得能够实现精确的、长期稳定的场强测量,不需要费事地在制造过程期间校准。
根据本发明,该任务通过根据权利要求1的用于确定载波信号的场强的方法、根据权利要求11的用于确定载波信号的场强的电路装置及根据权利要求16的用于钥匙媒介的集成电路来解决。
在用于确定电子钥匙的天线电路的天线上的载波信号的场强的方法中,该天线电路产生一个输出量,该输出量是场强的函数和天线电路特性参数的函数。每一个天线电路的特性参数反映所对应的天线电路的元件的容差、制造分散度和其它特有特性。根据本发明,在电子钥匙中,借助一个在该电子钥匙本身中产生的参考输入量来测量这些特性参数,其中,在测量特性参数期间对天线电路加载以该参考输入量,即,该参考输入量在测量期间用作天线电路的输入量。接着存储这些特性参数。随后测量天线电路的与场有关的第一输出量,其中,在测量该第一输出量时,天线电路不被加载以参考输入量。借助第一输出量和特性参数来确定场强,其中尤其补偿了特性参数对第一输出量的影响。特性参数的测量可周期性地进行,由此可对天线电路进行连续的校准。电路内部参考输入量的产生使得在没有费事的制造时测定过程的情况下也能够校准。由于校准可连续地进行,可实现精确的、长期稳定的场强测量,该场强测量也考虑到变化的环境条件,例如钥匙媒介或天线电路周围环境中的金属物体。
在该方法的一个扩展构型中,参考输入量以具有预给定的参考频率和参考幅值的参考输入电压和/或参考输入电流的形式产生,在施加参考输入电压时测量一第二输出量并由该第二输出量求得特性参数。特性参数可以与第二输出量相同,或者第二输出量可以是特性参数的一个量度。为了确定场强,最好构成由场强决定的第一输出量与由参考输出量决定的第二输出量的商。
在该方法的一个扩展构型中,参考频率被调节得等于载波信号的频率。以此方式通过参考量在起决定作用的工作频率下求得特性参数。
在该方法的一个扩展构型中,由载波信号的频率导出参考频率。以此方式可保证:即使在天线电路的实际频率下也发生通过参考输入量校准。
在该方法的一个扩展构型中,根据所确定的场强求出该天线与载波信号发射器的发射天线之间的距离。在距离的测定方面最好附加地在一第二天线上和一第三天线上确定场强,其中这些天线分别相互垂直并且由所确定的场强通过叠加求出这些天线与载波信号发射器的发射天线之间的距离。通过按每个天线计算出的场强的矢量叠加能够与天线或钥匙媒介相对于发射天线的定向无关地计算出距离。
在该方法的一个扩展构型中,所述天线与载波信号发射器的发射天线变压器式耦合。对于变压器式或者说感应式耦合可参考Klaus Finkenzeller的教科书:RFID手册,2002年,第3版,HANSER出版社,尤其参见第3.2.1节“感应耦合”,第42至45页。
在该方法的一个扩展构型中,通过天线电路构成一个并联振荡回路或一个串联振荡回路。
在该方法的一个扩展构型中,载波信号的频率在50KHz至150KHz的范围内或在5MHz至25MHz的范围内。
根据本发明的用于确定载波信号场强的电路装置具有一天线电路,该天线电路具有一天线和一输出端子,在该输出端子上存在一呈输出电压和/或输出电流形式的输出量,该输出量是所述场强的函数和所述天线电路的特性参数的函数。根据本发明,设置有一参考输入量产生单元,用于产生呈参考输入电压和/或参考输入电流的形式、具有已知的参考频率和参考幅值的参考输入量,并且设置有一与天线电路和参考输入量产生单元耦合的、可控制的转换单元,该转换单元根据控制状态对天线电路加载以参考输入量或者使天线电路与参考输入量去耦合。
该电路装置还包括一求值单元,它这样构造,即:它对不施加参考输入量时的一输出量和施加参考输入量时的一输出量求值以确定场强。该求值单元例如可以是一具有小用电量的微控制器。
在该电路装置的一个扩展构型中,参考输入量产生单元是一振荡器。该振荡器例如可包括一PLL,石英,电压控制的振荡器等。
在该电路装置的一个扩展构型中,天线电路具有一个天线线圈和一个电容器,它们共同构成一并联振荡回路。
在该电路装置的一个扩展构型中,转换单元具有一第一开关,它被连接在电容器的一个端子与一参考电位、尤其地电位之间,还具有一第二开关,它被连接在电容器的所述端子与参考输入量产生单元的一个存在参考输入量的端子之间。这些开关被这样控制,即:当确定特性参数时参考输入量用作天线电路的输入量,当测量场强时天线电路与参考输入量或者说参考输入量产生单元去耦合。
在该电路装置的一个扩展构型中,天线电路被构造得用于与载波信号发射器的发射天线变压器式耦合。
根据本发明的用于被动进入系统和/或被动离开系统的钥匙媒介的集成电路被构造得用于与根据本发明的电路装置相耦合。
下面参考附图详细描述本发明。附图中示意性示出:
图1用于自动地、与距离相关地解锁和/或闭锁并且免钥起动车辆的被动进入/被动离开系统的方框图;
图2图1的钥匙媒介和基站的详细方框图和
图3图2的LF发射器/接收器的天线电路的详细方框图。
图1示出一个用于自动地、与距离相关地解锁和/或闭锁并且免钥起动车辆100的被动进入/被动离开(PEG)系统的方框图。
该PEG系统包括一个设置在车辆100中的基站110和至少一个与该基站110相对应的卡式的电子钥匙媒介200。
当钥匙媒介200的未示出的使用者操作车辆100的门把120时,该操作在车辆100中被探测到并且被例如通过未示出车辆总线系统通知给基站110。接着,基站110通过该基站110的呈线圈114形式的LF天线对电子钥匙媒介200发射一个125kHz频率的低频(LF)的载波信号。钥匙媒介200在接收到该LF载波信号并且借助在钥匙媒介200中计算出的该LF载波信号的场强确定了距离后,如果所确定的或计算出的距离在允许的范围内,对基站110发送一个具有UHF频率范围内的解锁信息的信号。该UHF信号在基站110的UHF天线115上被接收,如果由钥匙媒介200向基站110传送的信息符合协议,则车辆100被解锁并且使用者例如可以占据车辆100的未示出的驾驶员座椅。
为了起动车辆100,使用者按压起动钮,于是又向钥匙媒介200发送低频的LF载波信号。当在钥匙媒介200中重新计算距离或计算位置之后,由钥匙媒介200再通过UHF通道向基站110发送一个起动认可,在该计算中检查使用者是否位于未示出的驾驶员座椅上。
UHF传送基于所谓远场耦合并且LF传送基于近场中的感应式或变压器式耦合。如果在车辆100的不同位置上布置有多于一个的天线114,则除了距离测量外,还可以通过确定对应的天线场强、根据场强计算与对应的天线的距离和接着的三角测量来进行相对于车辆100的位置测量。
图2示出图1中的钥匙媒介200和基站110的详细的方框图。
基站110包括一个LF发射器/接收器111和连接到该LF发射器/接收器111上的呈线圈形式的LF天线114、一个UHF发射器/接收器113和连接到该UHF发射器/接收器113上的UHF天线115以及一个微处理器112,该微处理器与LF发射器/接收器111和UHF发射器/接收器113耦合并且与它们双向交换要发射的和要接收的数据。
钥匙媒介200包括一个用于所谓3D接收的LF发射器/接收器201,在该LF发射器/接收器上连接有线圈形式的天线202、203和204。天线线圈或者天线线圈202、203和204的作用方向上的对称轴线分别相互垂直。按每个天线计算出的场强可被理解为一个三维场强矢量的分量,该矢量的大小具有取决于钥匙媒介200到基站110的发射天线114的距离的值,但该值与钥匙媒介200相对于发射天线114的取向无关。
为了UHF传送,钥匙媒介200具有一UHF发射器/接收器207和一连接到该UHF发射器/接收器207上的UHF天线208。
此外钥匙媒介200还具有一微处理器205和一用于能量供给的电池或蓄电池206,该微处理器与LF发射器/接收器201和UHF发射器/接收器207相耦合并且与它们双向交换要发射的和要接收的数据。LF发射器/接收器201附加将分别从属于天线202、203和204的场强信号发送给微处理器205。
在最简单的情况下,LF数据传送单向地从基站110向钥匙媒介200进行,在这种情况下,单元111仅是一个发射器,单元201仅是一个接收器。相应地,UHF数据传送可以单向地从钥匙媒介200向基站110进行,在这种情况下,单元207仅是一个发射器,单元113仅是一个接收器。在所示实施例中,LF数据传送以及UHF数据传送都是双向地进行。
图3示出图2中的LF发射器/接收器201的一个天线电路214的详细方框图。为了清楚起见在图3中仅示出与天线202对应的那个天线电路。天线203和204配置有相当的、未示出的天线电路。
天线电路214包括天线或天线线圈202、一个反映天线线圈202的寄生铜电阻的电阻212和一个电容器213。天线线圈202和电容器213构成一个并联振荡回路。在输出端子N1上存在一呈输出电压UAF或UAI形式的输出量,该输出量在正常运行中是LF载波信号的场强的函数和天线电路214的特性参数的函数。输出电压UAF或UAI用作微处理器205的未示出的A/D转换器的模拟输入量并在该微处理器中被进一步数字化处理。
下面详细描述图3中所示的装置的运行。在基站110的一个仅局部示出的发射单元217中,通过驱动级209提供一个具有频率f0的信号。该信号被输送到一个具有发射天线线圈114、电阻210和电容器211的串联振荡回路。通过在发射天线线圈114中产生的载波磁场,在天线线圈202中感应一个电压UQ。下面的算式数学描述天线线圈114与202之间的耦合。这些算式源自于Klaus Finkenzeller的教科书RFID手册,2002年,第3版,HANSER出版社,尤其参见第72,73及77页。
在等式(1)中UQ表示线圈202中感应的电压,ω0是与发射频率f0对应的角频率,k是耦合系数,L1是天线线圈114的电感,L2是天线线圈202的电感,i1是通过发射天线线圈114的电流。
天线线圈202中感应的电压UQ产生下面的输出电压UAF:
等式(2)包含相对于Finkenzeller的公式简化了的假设,即RL=∞,由此取消了分母中具有RL的项。R2表示电阻212的电阻值,C2表示电容器213的电容。
由等式(2)直接得知:由载波信号的场引起的输出电压UAF由电阻212的值R2、接收线圈202的电感L2和电容器213的电容C2确定。因此这些值构成天线电路214的特性参数。
为了确定特性参数的反映对于输出电压关系重要的特性的特性参数或特性参数量度或特性参数特征值,对天线电路214加载一参考输入量。该参考输入量以参考输入电压U1的形式由一个呈振荡器216形式的参考输入量产生单元产生,该振荡器是图2的LF发射器/接收器201的一部分。参考输入电压U1的频率等于载波信号的频率f0。参考输入电压U1的幅值以预知的值精确地产生。
为了测量特性参数,这样控制由微处理器205控制的、具有第一开关218和第二开关219的转换单元215,即:打开开关218并闭合开关219。这使得:天线电路214被加载以作为仿真输入电压的参考输入量U1。在测量特性参数期间,由发射单元217产生的信号是关断的,即UQ=0。转换单元215是图2中的LF发射器/接收器201的一部分。
在天线电路214的输出端子214上出现的输出电压UAF可借助下面的等式计算出:
如果由第一输出量UAF与第二输出量UAI构成一个商,则得到下面的等式:
如果按UQ解方程式(4)则得到:
借助计算出的电压UQ可通过下面的等式(6)计算出发射天线或发射线圈114到接收天线或接收线圈202的距离x:
式中rL1是发射天线线圈114的半径,rL2是接收天线线圈202的半径。等式(6)适用于空气线圈作为发射天线114和接收天线202。如果不使用空气线圈,则可以相应地适配等式(6)。为此将等式(6)中与距离x相关的耦合系数(通过等式(1)的变型):
用一个对于所使用的线圈类型适合的耦合系数来代替。对此例如可再参考Finkenzeller的书,尤其参见第108页,或者参考数据手册:ATMEL,data book2001,ICs for wireless control Systems(用于无线控制系统的集成电路),第326页。
总而言之,场强或距离如下确定:
在第一步骤中通过微处理器205这样控制转换单元215,以致对天线电路214被加载以参考输入量UI。参考输入量UI可以持续有效或仅在测量过程被激活。在此应当知道或却保:载波信号是无效的。
接着测量并存储所产生的输出电压UAI。
在存储通过接上参考电压源216而产生的输出电压UAI后,转换单元215被微处理器205这样控制,以致天线电路214与参考输入量UI去耦合。现在产生的输出电压UAF由天线线圈202上的载波信号的场引起。
实际的场强,即特性参数的影响被补偿时的那个场强,通过构成UAF与UAI的比和乘以已知的电压UI计算出。
为了最终测量距离,将天线202,203和204各自的如上所述求得的场强相叠加,以计算总场强,该总场强与取向无关。由通过传统的矢量计算所计算出的总场强最后借助等式(6)计算出距离。
电压UAI的测量可以周期地进行或通过一定事件触发来测量,由此可考虑天线电路特性参数例如由于温度波动引起的改变。
显然,也可使用电流来取代电压UI形式的参考输入量。为此,在测量特性参数期间在转换单元215中开关218必须保持闭合,一个参考电流源在电阻212与电容器213之间的连接节点上馈入其电流。
在图2的LF发射器/接收器201中,除天线电路214外还设置其它的电路部分。例如可设置一集成电路,该集成电路构造得用于与天线电路214耦合。该集成电路则例如可取代微处理器205来承担输出电压UAF或UAI的求值。换句话说,输出电压UAI及UAF的全部求值在该集成电路中进行,由此简化了微处理器205中的求值,因为在那里不再需要特殊知识。此外转换单元215和参考输入量产生单元216也可以是该集成电路的一部分。
所示出的实施方式式使得能够精确地、长久稳定地测量场强或距离,而不需要在制造过程中的费事的校准。
Claims (16)
1.用于确定电子钥匙(200)的天线电路(214)的一天线(202)上的载波信号的场强的方法,其中,该天线电路(214)产生一输出量,该输出量是所述场强的函数和该天线电路(214)的特性参数的函数,其特征在于,在该电子钥匙(200)中执行以下步骤:
产生一参考输入量(UI),
对天线电路(214)加载以该参考输入量(UI),
在天线电路(214)被加载以该参考输入量(UI)期间测量所述特性参数,
存储所述特性参数,
在天线电路(214)不被加载以该参考输入量(UI)期间测量该天线电路(214)的第一输出量(UAF),和
借助该第一输出量(UAF)和所述特性参数确定所述场强。
2.根据权利要求1的方法,其特征在于:
以具有预给定的参考频率和参考幅值的参考输入电压(UI)和/或参考输入电流的形式产生所述参考输入量,
在施加了所述参考输入量(UI)时测量第二输出量(UAI),和
由该第二输出量(UAI)求得所述特性参数。
3.根据权利要求2的方法,其特征在于:为了确定场强,构成第一输出量(UAF)与第二输出量(UAI)的商。
4.根据权利要求2或3的方法,其特征在于:所述参考频率被调节得等于载波信号的频率(f0)。
5.根据权利要求2至4之一的方法,其特征在于:由载波信号的频率(f0)导出所述参考频率。
6.根据以上权利要求之一的方法,其特征在于:由所确定的场强求出天线(202)与载波信号发射器的发射天线(114)之间的距离。
7.根据权利要求6的方法,其特征在于:确定一第二天线(203)上和一第三天线(204)上的场强,其中,天线(202,203,204)分别相互垂直,由所确定的场强求出天线(202,203,204)与载波信号发射器的发射天线(114)之间的距离。
8.根据以上权利要求之一的方法,其特征在于:使天线(202)与载波信号发射器的发射天线(114)变压器式耦合。
9.根据以上权利要求之一的方法,其特征在于:通过天线电路(214)构成一个并联振荡回路或一个串联振荡回路。
10.根据以上权利要求之一的方法,其特征在于:载波信号的频率(f0)在50KHz至150KHz的范围内或在5MHz至25MHz的范围内。
11.用于确定载波信号的场强的电路装置,具有一个天线电路(214),该天线电路具有一天线(202)和一输出端子(N1),在该输出端子上存在一呈输出电压(UAF)和/或输出电流形式的输出量,该输出量是所述场强的函数和所述天线电路(214)的特性参数的函数,
其特征在于:具有
一参考输入量产生单元(216),用于产生具有已知的参考频率和参考幅值的参考输入电压(UI)和/或参考输入电流的形式的参考输入量,
一与天线电路(214)和参考输入量产生单元(216)耦合的、可控制的转换单元(215),该转换单元根据控制状态对天线电路(214)加载以参考输入量(UI)或者使天线电路(214)与参考输入量(UI)去耦合,和
一求值单元(205),该求值单元这样构成,即:它对不施加参考输入量(UI)时的输出量(UAF)和施加参考输入量(UI)时的输出量(UAI)求值,以确定场强。
12.根据权利要求11的电路装置,其特征在于:参考输入量产生单元是一个振荡器(216)。
13.根据权利要求11或12的电路装置,其特征在于:天线电路(214)具有一天线线圈(202)和一电容器(213),它们共同构成一并联振荡回路。
14.根据权利要求13的电路装置,其特征在于:转换单元具有一第一开关(218),它连接在电容器(213)的一个端子与一参考电位之间,还具有一第二开关(219),它连接在电容器(213)的所述端子与参考输入量产生单元(216)的一个存在参考输入量(U1)的端子之间。
15.根据权利要求11至14之一的电路装置,其特征在于:天线电路构造成用于与载波信号发射器的发射天线(114)变压器式耦合。
16.用于被动进入系统和/或被动离开系统的钥匙媒介的集成电路,其特征在于:该集成电路构造得用于与根据权利要求11至15之一的电路装置相耦合。
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