CN112384383A - 包括双模天线电路的用于车轮的无线电发射传感器 - Google Patents

Abstract

用于车轮（1）的无线电发射传感器（6），其被适配成测量至少一个物理量并且发射代表该测量的物理量的无线电信号，传感器（6）包括测量和发射电路（7）、天线阻抗匹配电路（8）、和天线电路（9）。传感器（6）包括敏感性开关（20），敏感性开关（20）由测量和发射电路（7）控制、并且被适配成根据两种模式切换天线电路（9）：•动态模式，其中天线电路（9）被配置为磁天线，并且其中传感器（6）发射代表测量的物理量的所述无线电信号，该信号包括发射的数据帧（TD）；以及•静态模式，其中天线电路（9）被配置为电天线。

Description

包括双模天线电路的用于车轮的无线电发射传感器

技术领域

本发明涉及用于车辆的电子设备的领域，并且更具体地涉及用于车轮的无线电发射传感器以及用于监测车轮的旋转的方法。

背景技术

用于车轮的无线电发射传感器是常用装置，尤其是在机动车辆中，其使得能够将与车轮有关的各种参数（如轮胎的充气压力或轮胎内部的温度）告知车辆的驾驶员。这些传感器通常固定在每个车轮的轮胎内部、在轮辋上。这些传感器测量一个或多个物理量，例如压力和温度，并将代表该测量的物理量的无线电信号发射给车辆车载的中央控制单元。然后，中央控制单元与车载电子设备进行通信，以将测量数据显示给驾驶员并显示可能有的警报。

TPMS（针对英语的“Tire Pressure Monitoring System”，意为轮胎压力监测系统）装置是安置在每个车轮中的包括这样的无线电发射传感器的装置的一个示例。每个TPMS传感器发射数据帧，这些数据帧是根据TPMS所特有的已确定的协议的电磁波序列，其用于向固定在车身内的中央控制单元传送轮胎压力值。

车轮无线电发射传感器装有用于提供无线电发射实施所需的能量的电能源。在设计这样的车轮传感器时，要特别注意这些电能源（例如电池或电池组）的尺寸。传感器放置在车轮中，因此会受到该车轮旋转产生的离心力。因此，传感器的质量是关键参数，而电能源意味着很大的质量，于是最好将其减小到最小。电能源质量的减小优选地与限制车轮传感器的电力消耗的措施相结合，以便维持针对电能源的可接受的使用寿命或续航时间。

专利申请FR3018649描述了用于车轮的这样的无线电发射传感器，其包括能够检测传感器安装于其中的车轮的旋转的诸如加速度计之类的部件。由于能够检测车轮旋转，因此可以采取措施来限制或适配传感器的无线电发射，以减小其电力消耗。

其他已知的解决方案预备在车轮传感器中使用用于检测地磁场的部件，以便检测车轮的旋转，从而例如在车辆处于停车阶段时选择限制无线电发射，以减小传感器的电力消耗。

这些解决方案的缺点是它们需要额外的部件，如加速度计或用于检测地磁场的部件，这些部件须包括在车轮传感器中并且增加了其质量和成本。此外，这些解决方案全都因其实现了机电构件或对诸如配电线或低频噪声之类的辐射磁噪声敏感的构件而不那么可靠。

发明内容

本发明的目的是通过提出不需要额外的检测部件的、被适配成监测车轮旋转以减小其电力消耗的用于车轮的无线电发射传感器来改进这样的传感器。

为此，本发明旨在一种用于车轮的无线电发射传感器，其被适配成测量至少一个物理量并且发射代表该测量的物理量的无线电信号，该传感器包括测量和发射电路、天线阻抗匹配电路、和天线电路。该传感器包括敏感性开关，该敏感性开关由测量和发射电路控制、并且被适配成根据两种模式切换天线电路：

• 动态模式，其中天线电路被配置为磁天线，并且其中传感器发射代表测量的物理量的所述无线电信号，该信号包括发射的数据帧；以及

• 静态模式，其中天线电路被配置为电天线。

根据可组合的优选特征：

• 敏感性开关被布置在天线电路与地线之间，敏感性开关被控制以使得：

- 在动态模式下，天线电路接地，从而天线电路形成磁天线；

- 在静态模式下，天线电路与地线隔离，从而天线电路形成电天线；

• 测量和发射电路包括用于测量天线电路的阻抗的装置。

磁天线，也称为“环形天线”（英语为“loop antenna”），其为形成具有一个或多个匝的回路并且有利于所发射的波的磁分量的天线。这是车轮传感器领域中常用的天线类型。这些天线对扰动较不敏感。

至于电天线，其是诸如偶极天线或单极天线之类的天线，其由竖直或水平延伸的电导体形成，并且其有利于所发射的波的电分量。要注意的是，电磁干扰尤其是由电场传递的。

本发明的另一目的旨在一种用于监测车轮旋转的方法，其实现了上述传感器。该方法包括以下步骤：

• 当车辆处于停车阶段时，以静态模式仅发射测量帧，并在每次发射测量帧时测量天线电路的阻抗；

• 将每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差大于预定阈值时，控制敏感性开关以使其变为动态模式。

天线电路的静态模式使得能够探查传感器周围的介电参数，从而使得能够检测改变，诸如传感器安装于其中的车轮的旋转所引起的那些改变。对这样的改变的检测仅基于传感器已经具有的用于确保其主要功能的无线电发射部件，该主要功能是发射代表所测量的物理量的无线电信号。不需要任何额外的装置来确保检测功能（例如检测车轮的旋转的功能），这有助于减小车轮传感器的质量和成本。

另外，由于静态模式对改变敏感并且不受电磁干扰的影响，因此基于对传感器周围的介电参数的探查的检测比已知解决方案更可靠。可以在车辆的整个停车阶段期间使用静态模式，而不传输任何数据帧（或传输最少量的数据帧）。于是大幅减少了传感器的发射活动，发射活动仅在于检测车辆接下来转为行驶阶段。于是可以在车辆的行驶阶段中或针对传感器的任何正常发射活动使用动态模式。数据帧的发射仅在动态模式下执行，因此通过采用磁天线来保护其免受电磁干扰。因此大幅减小了长时间停放阶段期间的电力消耗，这些阶段使得能够可靠地探查周围的介电参数并且因此使得能够可靠地检测如车轮旋转之类的改变。

根据本发明的传感器可以单独或组合地包括以下附加特征：

• 当天线电路处于静态模式时，传感器发射测量帧，并且用于测量天线电路的阻抗的装置在每个测量帧时测量天线电路的阻抗；

• 传感器在以动态模式发射的两个数据帧之间以静态模式发射一个测量帧；

• 测量和发射电路被适配成在天线电路的至少两个连续的阻抗测量结果之差大于预定阈值时将天线电路切换为动态模式；

• 测量和发射电路被适配成在天线电路的至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值时将天线电路切换为静态模式；

• 传感器包括印刷电路，其形成针对天线阻抗匹配电路和针对整个传感器的载体基板，值得注意的是，天线电路包括天线导体，天线导体在印刷电路上形成回路并且：

- 其一端连接到天线阻抗匹配电路；以及

- 其另一端连接到安装在印刷电路上的敏感性开关。

根据本发明的方法可以单独或组合地包括以下附加步骤：

• 当车辆处于行驶阶段时，以动态模式发射所述数据帧；

• 在以动态模式发射的两个数据帧之间：变为静态模式；发射测量帧并测量天线电路的阻抗；

• 将天线电路的每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值、并且这达到预定的持续时间期间时，控制敏感性开关以使其变为静态模式；或者

• 当车辆处于行驶阶段时，以动态模式发射所述数据帧，并在每次发射数据帧时测量天线电路的阻抗；

• 将天线电路的每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值、并且这达到预定的持续时间期间时，控制敏感性开关以使其变为静态模式。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：

- 图1示意性地示出了配备有根据本发明的传感器的车轮及其周围；

- 图2是根据本发明的传感器的电路图；

- 图3示出了图2的传感器的物理安装；

- 图4是示出图2的传感器的天线电路的阻抗变化的曲线图（当其处于静态模式时）；

- 图5示出了例示图2的传感器所传输的波的帧的直方图。

具体实施方式

图1示意性地示出了车轮1及其周围。在此简化示例中，车轮的周围由车身2（仅示出了环绕车轮1的车轮通道）和地面3构成。该示意图例示了车轮1被具有或多或少的传导元素的物理构造所环绕的事实。该物理构造由车辆上、地面上或周围环境中的除此处示出之外的众多元素构成，这些元素形成具有变化的介电属性的整体。

车轮1包括轮辋4、轮胎5和无线电发射传感器6，无线电发射传感器6安装在轮辋4上、在轮胎5内部、或者直接安装在轮胎5中。该传感器6测量轮胎5内部的压力、温度或任何其他物理量。传感器6能够发射代表该测量的物理量的无线电信号。该无线电信号被发射给安装在车辆中的中央控制单元（未示出）。

图1还示出了以下事实：当车轮1旋转时，传感器6相对于环绕车轮1的物理构造移动。例如，在车轮1旋转的过程中，传感器6可能靠近车身2而远离地面3，或者靠近地面3而远离车身2。因此，在车轮1旋转期间，该物理构造会围绕传感器6而改变。由车轮1的旋转引起的这种物理构造的改变可以由传感器6检测到。

图2是传感器6的原理的电路图。传感器6包括测量和发射电路7、天线阻抗匹配电路8和天线电路9。

测量和发射电路7包括能源10（例如，电池）、以及使得能够执行测量（压力传感器、温度传感器等）、处理信号（微控制器）和发射该信号的已知部件。构成测量和发射电路7的这些部件是现有技术中已知的并且没有示出（除了能源10之外），并且这里将不再对其进行详细描述。电路7中所示的电阻11示意性地表示该电路7的阻抗。

天线电路9是无线电天线，其功能是辐射与要由传感器6发射的测量信号相对应的电磁波。

天线阻抗匹配电路8预备用于实现测量和发射电路7与天线电路9之间的阻抗匹配。匹配电路8在阻抗匹配的领域中是已知的，并且可以以各种方式来实现。在本示例中，匹配电路8由电感14和并联的两个电容15、18构成。

传感器6还包括敏感性开关20，在本示例中，敏感性开关20由被测量和发射电路7驱动的断续器20A构成。敏感性开关20被布置在天线电路9与传感器6的地线之间。天线电路9因此可以接地或与地线隔离。当天线电路9接地时，它形成磁天线，而当天线电路9与地线隔离时，它形成电天线。

驱动敏感性开关20使得天线电路9并且扩展至传感器6能够根据两种模式进行操作：

• 所谓的“动态”模式，其中，由作为磁天线来操作的天线电路9进行无线电发射（断续器20A于是处于其图2的位置，将天线电路9接地）；

• 所谓的“静态”模式，其中，由作为电天线来操作的天线电路9进行无线电发射（断续器20A于是处于与图2所示的位置相反的位置，使天线电路9与地线隔离）。

天线匹配电路8包括电感14和电容器15、18，其大小通常是针对天线匹配电路而确定的。因此，以阻抗匹配方面已知的方式，根据测量和发射电路7的阻抗11和天线电路9的阻抗来选择电感14和电容15、18的值，以便获得：

• 较宽的通带，这有利于数据帧的发射；

• 较低的品质因数（Q因数），这使得数据发射能够对外部电磁干扰几乎没有敏感性，从而保证了发射数据帧的完整性。

因此，在阻抗匹配方面，按照本领域的规则来设计天线匹配电路8。

举例来说，对于2.45GHz的发射频率，第一电容15的值可以为0.75pF，第二电容18的值可以为1pF，并且电感14的值可以为2.6nH。

在动态模式下，传感器6作为被适配成发射数据帧的常规的无线电发射车轮传感器来运转。用磁环形天线进行发射，磁环形天线的优点是谐波很少、以及忽略不希望的信号。

在静态模式下，传感器6的数据发射性能下降。于是以电天线来进行传感器6的发射。由使用电天线引起的对外部电磁干扰的敏感性与对传感器6外部的物理构造的敏感性并驾齐驱。因此，当传感器6处于静态模式时，天线电路9使传感器6对参考图1描述的物理构造的改变敏感，并且可以例如检测车轮1的旋转（这是传感器6周围的物理构造改变的特定示例）。这里，使用电天线的目的是使得能够监测环绕传感器6的介电构造。

测量和发射电路7还包括阻抗测量装置25，其使得能够利用对传感器6周围的敏感性。实际上，当传感器6处于静态模式时，其敏感性表现为随着传感器6周围的物理构造变化的天线电路9的阻抗变化。

阻抗测量装置25以常规方式实现，可能借助于电路7的微控制器。阻抗测量可以在无线电发射序列期间执行，其中，信号的相位和幅度的变化使得能够计算要测量的阻抗。阻抗测量装置25还可以测量反射系数。作为变型，阻抗测量装置25可以由适于测量阻抗的任何传感器来实现。

图3示意性地示出了可以被实施以实现天线电路9的物理安装。印刷电路30构成基板，传感器6的所有电子组件都安装和连接在该基板上。印刷电路30还承担电路的地线。天线电路9包括在印刷电路30上形成回路的天线导体31。天线导体31的一端32连接到安装在印刷电路30上的匹配电路8（未示出），并且另一端33连接到敏感性开关20。敏感性开关20可以将天线导体9的端部33与印刷电路30的地线连接或隔离。

敏感性开关20可以有利地由可切换的肖特基二极管来实现。

图4是示出当传感器6处于静态模式时天线电路9的阻抗Z随时间t变化的曲线图。该图示出了由传感器6安装于其上的车轮的旋转引起的传感器6周围的构造改变的示例。由于传感器6处于静态模式，因此天线电路9被配置为电天线，因此传感器6对物理构造的这些改变敏感。根据此示例，在原点与时间R之间，车轮不动（不转动）。因此，天线电路9的阻抗曲线保持基本稳定。从时间R开始，车轮开始旋转，这导致阻抗曲线的较大变化。这些变化是周期性的，经过最大值的曲线对应于例如传感器6经过了最靠近车身2处，并且经过最小值的曲线对应于例如传感器6经过了最靠近地面处（或反之亦然）。

当在（由阻抗装置25进行的）阻抗Z的两次测量之间阻抗Z变化超过某个阈值（例如±10％）时，检测到车轮旋转。图4所示的值Z1和Z2例示了对应于时间R的该阻抗区间±10％。换句话说，值Z1等于时间R处的阻抗减去10％，而值Z2等于时间R处的阻抗加上10％。由于车轮不动，因此时间R之前的阻抗值在该区间内。紧接在时间R之后，阻抗曲线超出该区间（变为低于值Z1），于是检测到车轮的旋转。

图5示意性地示出了用于监测车轮旋转的方法的进程，从而实施传感器6。根据该示例，车轮首先不动（停车阶段E1）、然后开始旋转（行驶阶段E2）、最后又变得不动（停车阶段E3）。图5通过直方图示出了传感器6随时间进行的连续的无线电发射。

在作为停车阶段的第一阶段E1中，传感器6处于静态模式，因此对其周围的介电参数敏感。在静态模式下，车辆不需要由传感器6测量的压力、温度或任何其他量的信息，因此停止（或可能地大幅减少）TPMS帧之类的数据帧的发射，这使得能够节约能源10。相反，在该第一阶段E1期间，将以规则的间隔、例如每15秒发射一次阻抗测量帧TM。该测量帧TM的目的不是传输信息，而是仅执行天线电路9的阻抗的测量。测量帧TM可以是例如持续时间非常短的单纯载波（其持续时间可以小于常规信息传输帧的持续时间的百分之一）。举例来说，用于传输轮胎压力值的TPMS协议的常规数据帧可以持续10毫秒，而测量帧TM可以持续小于0.1毫秒。

测量和发射电路7借助于阻抗测量装置25在每个发射的测量帧TM时执行阻抗测量。将每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较，以检测是否发生了超出预定区间（例如，±10％，如上所述）的阻抗变化。

只要两个连续的阻抗测量结果不越过这样的预定区间，就表明车轮保持不动。当车轮开始转动时，检测到超出该区间的阻抗变化，于是检测到车轮旋转。在图5中，在第一阶段E1的最后一个测量帧TM期间，检测到车轮旋转，并且该方法于是转至第二阶段E2。

在作为行驶阶段的第二阶段E2的开始，敏感性开关20被切换，使得天线电路9变为动态模式，因此成为磁天线。因此，断续器20A被激活，使得天线导体31的端部33接地。然后，测量和发射电路7以常规方式进行根据适当的协议（如TPMS协议）的将测量的物理量（压力、温度等）的值传输到车辆所需的无线电发射。因此，传感器6发射常规数据帧TD。图5示意性地示出了幅度和持续时间大于测量帧TM的数据帧TD。

除了数据帧TD的这些常规发射之外，电路7周期性地进行测量帧TM的发射和同时进行的阻抗测量。为此，在发射数据帧TD之后，传感器6再次变为静态模式以便产生测量帧TM，然后再变为动态模式以便执行下一个数据帧TD的发射，依此类推。该第二阶段E2的测量帧TM的频率可以与数据帧TD的频率同步，一个测量帧出现在每个数据帧之后，如图5所示。作为变型，通过将每个测量帧TM置于两个数据帧TD之间，可以以与第一阶段E1期间相同的频率（例如，每15秒）产生测量帧TM。图5并不代表实际的帧发射频率：（例如）每15秒产生第一阶段E1的测量帧TM，而第二阶段E2期间的数据帧的传输频率要低得多，例如每60秒一次。

在第二阶段E2中，与在第一阶段E1中一样，将每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较。由于这是行驶阶段，因此连续的测量结果基本上显示出大于阈值（例如，±10％，如上所述）的变化。当多个连续的测量结果之差小于阈值时，表明车轮不动。

为了转至作为停车阶段的第三阶段E3，传感器6检测到车轮自大于预定持续时间（例如，5分钟）的持续时间开始就不动了。传感器于是变为静态模式，并在整个第三阶段E3期间保持处于该模式，如针对第一阶段E1描述的那样操作。

作为变型，在第二阶段E2期间，传感器6不发射特定的测量帧TM。在这种情况下，测量和发射电路7利用数据帧TD来执行阻抗测量。阻抗测量装置在每个数据帧TD时执行其测量，将其与前一个测量进行比较，如前文描述的那样。根据该变型，对于每个数据帧TD，传感器6保持处于动态模式以便执行数据发射，然后例如在帧TD的末尾、在其最后时刻，传感器6变为静态模式然后执行阻抗测量。因此，传感器6在帧TD的过程中变为静态模式以便执行阻抗测量。如果需要的话，也可以将帧TD延长额外的持续时间。

可以实施传感器和方法的其他实施变型而不脱离本发明的范围。例如，可以基于意味着传感器周围的介电参数的改变的时刻来检测除车轮旋转以外的现象。

此外，通过阻抗测量装置25对天线电路9的阻抗的测量可以包括测量该阻抗的实部和虚部。可以通过将两个实部和两个虚部彼此进行比较来进行针对两个连续测量结果的所测量的阻抗的比较。如果这些差中的一个或两个都大于阈值（例如，如上所述，为±10％），则传感器变为动态模式。

另外，天线阻抗匹配电路8可以与示例中描述的电路不同。技术人员将能够根据针对匹配电路的、关于静态模式和动态模式的、针对所使用的天线类型的上述期望特性来选择使得能够实现阻抗匹配的组件。

敏感性开关20以及构成它的断续器可以由诸如晶体管之类的任何驱动开关部件来实现。

天线可以采用适于磁天线的任何形状，如矩形、正方形、三角形、椭圆形或圆形。构成它的导体可以绕一圈或多圈。

天线电路还可以包括两个分开的天线，一个磁天线和一个电天线，敏感性开关于是被适配成将这些天线中的一个或另一个连接到匹配电路，以便分别变为动态模式和静态模式。

Claims (11)

1.用于车轮（1）的无线电发射传感器（6），其被适配成测量至少一个物理量并且发射代表该测量的物理量的无线电信号，传感器（6）包括测量和发射电路（7）、天线阻抗匹配电路（8）、和天线电路（9），传感器（6）的特征在于，其包括敏感性开关（20），敏感性开关（20）由测量和发射电路（7）控制、并且被适配成根据两种模式切换天线电路（9）：

• 动态模式，其中天线电路（9）被配置为磁天线，并且其中传感器（6）发射代表测量的物理量的所述无线电信号，该信号包括发射的数据帧（TD）；以及

• 静态模式，其中天线电路（9）被配置为电天线。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，敏感性开关（20）被布置在天线电路与地线之间，敏感性开关（20）被控制以使得：

• 在动态模式下，天线电路（9）接地，从而天线电路形成磁天线；

• 在静态模式下，天线电路（9）与地线隔离，从而天线电路（9）形成电天线。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其特征在于，测量和发射电路（7）包括用于测量天线电路（9）的阻抗的装置（25）。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，当天线阻抗匹配电路（8）处于静态模式时传感器（6）发射测量帧（TM），并且在于，用于测量天线电路（9）的阻抗的装置（25）在每个测量帧（TM）时测量天线电路（9）的阻抗。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，传感器在以动态模式发射的两个数据帧（TD）之间以静态模式发射一个测量帧（TM）。

6.根据权利要求3至5中的一项所述的传感器，其特征在于，测量和发射电路（7）被适配成在天线电路（9）的至少两个连续的阻抗测量结果之差大于预定阈值时将天线电路（9）切换为动态模式。

7.根据权利要求3至6中的一项所述的传感器，其特征在于，测量和发射电路（7）被适配成在天线电路（9）的至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值时将天线电路（9）切换为静态模式。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，包括印刷电路（30），其形成针对天线阻抗匹配电路（8）和针对整个传感器（6）的载体基板，其特征在于，天线电路（9）包括天线导体（31），天线导体（31）在印刷电路（30）上形成回路并且：

• 其一端（32）连接到天线阻抗匹配电路（8）；以及

• 其另一端（33）连接到安装在印刷电路（30）上的敏感性开关（20）。

9.用于监测车轮旋转的方法，其实现了根据权利要求1至8所述的传感器（6），其特征在于，该方法包括以下步骤：

• 当车辆处于停车阶段时，以静态模式仅发射测量帧（TM），并在每次发射测量帧（TM）时测量天线电路（9）的阻抗；

• 将每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差大于预定阈值时，控制敏感性开关（20）以使其变为动态模式。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：

• 当车辆处于行驶阶段时，以动态模式发射所述数据帧（TD）；

• 在以动态模式发射的两个数据帧（TD）之间：变为静态模式；发射测量帧（TM）并测量天线电路（9）的阻抗；

• 将天线电路（9）的每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值、并且这达到预定的持续时间期间时，控制敏感性开关（20）以使其变为静态模式。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，其还包括以下步骤：

• 当车辆处于行驶阶段时，以动态模式发射所述数据帧（TD），并在每次发射数据帧（TD）时以静态模式测量天线电路（9）的阻抗；

• 将天线电路（9）的每个阻抗测量结果与前一个阻抗测量结果进行比较；

• 当至少两个连续的阻抗测量结果之差小于预定阈值、并且这达到预定的持续时间期间时，控制敏感性开关（20）以使其变为静态模式。

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