CN115836295A - 访问系统 - Google Patents

Abstract

一种系统包括：近场通信控制器(40)、电耦合至近场通信控制器(40)的近场通信天线(L_ant)、以及耦合在近场通信天线(Lcant)与近场通信控制器(40)之间的近场通信前端电路，其中，该近场通信前端电路包括感测电容器(C_sense)，该感测电容器被配置为在该近场通信前端电路的匹配电路(44)中充当串联电容，该感测电容器(C_sense)被进一步配置为另外充当电容式接近传感器，并且该近场通信控制器(40)被配置为充当近场通信控制器并另外执行电容感测功能。

Description

访问系统

本发明涉及一种访问系统，特别是一种用于车辆的访问系统。

如今，大多数车辆都可以使用电子车辆钥匙解锁和远程启动。例如，在一些众所周知的“启停”访问系统中，用户必须按压电子远程钥匙上的解锁按钮来解锁或锁定车辆，或打开车辆的后备箱。这种电子车辆钥匙通常必须插入位于车辆内部的防盗器站，使得防盗器站识别车辆钥匙并允许用户启动车辆。这种系统正在不断地替代先前使用的点火开关系统。还存在其他“启停”访问系统，这些系统无需用户按压按钮或将钥匙插入防盗器来解锁或锁定车辆或启动发动机。这些“启停”访问系统也被称为被动启动和进入系统。在被动启动和进入系统的情况下，当在车辆的一定范围内检测到钥匙时，车辆就可以自动解锁。为了启动车辆，通常必需按压车辆内的启动按钮。

当用户的手接近车辆的门把手时，可以通过接近传感器(例如，光学接近传感器或电容式接近传感器)来检测这只接近的手。然后，系统可以从待机模式中醒来，并启动所谓的PASE通信。在PASE通信期间，车辆可以发送加密请求，当应答器单元(车辆钥匙)在所需范围内时，该应答器单元可以接收到该加密请求。应答器单元可以对请求信号进行解密，并发出加密的响应信号。可以根据车辆和应答器单元都知道的某种编码图表对信号进行加密。车辆可以将其原始请求信号与所接收的响应信号进行比较。基于这一比较，车辆可以确定应答器单元是否属于该车辆。如果确定应答器单元属于该车辆，那么当用户拉动门把手时，门将被允许打开。否则，车辆将保持锁定。

附加地或替代性地，无钥匙启动和进入系统还可以使用近场通信(NFC)。在这样的系统中，布置在车辆内的控制单元要么定期改变为轮询模式，要么在发生触发事件时发出查询信号。在轮询模式下，控制单元搜索其他NFC设备。如果在控制单元的范围内检测到另一个NFC设备，那么控制单元就会发出查询信号。如果另一个NFC设备是应答器单元(车辆钥匙)，那么该应答器单元接收查询信号并向控制单元发回响应信号以标识自身。如果响应信号是正确的，并且该应答器单元被识别为属于该车辆的应答器单元，则车辆被解锁和/或启动。

在车辆访问系统中实施上述功能(例如，接近感测、NFC等)需要包括许多不同部件的越来越复杂的电子布置。

本发明要解决的问题是提供一种替代性的启动和访问系统，这种系统复杂性较低并且制造成本也较低。

这个问题通过根据权利要求1所述的访问系统来解决。本发明的配置和进一步改进是从属权利要求的主题。

一种系统包括近场通信控制器、电耦合至近场通信控制器的近场通信天线、以及耦合在近场通信天线与近场通信控制器之间的近场通信前端电路，其中，该近场通信前端电路包括感测电容器，该感测电容器被配置为在该近场通信前端电路的匹配电路中充当串联电容，该感测电容器被进一步配置为另外充当电容式接近传感器，并且该近场通信控制器被配置为充当近场通信控制器并另外执行电容式感测功能。

因此，在物体或车辆中用于通信的近场通信前端电路可以另外充当电容式传感器，而不需要额外的部件。

该感测电容器可以包括交错的传感器图案。

这可以允许很容易检测到接近该感测电容器的物体，同时该电容器在近场通信前端电路的匹配电路中仍充当串联电容。

该感测电容器可以包括第一电极和第二电极，这些电极共同形成非常长的平行板电容器，其中，在第一电极与第二电极之间以及在这些电极周围的环境中产生电场。

接近该感测电容器并进入由传感器电极产生的电场的物体会影响感测电容器的电容。

第一电极和第二电极可以形成为印刷电路板上的导电迹线。

这样的印刷电路板可以进一步承载近场通信前端电路中所需要的任何附加的部件。

该近场通信天线可以形成为印刷电路板上的导电迹线，并且传感器电极可以布置在形成该近场通信天线的导电迹线的正上方。

通过这种方式，感测电容器和近场通信天线可以以非常节省空间的方式布置在印刷电路板上。

该感测电容器可以串联耦合在近场通信控制器与近场通信天线之间，该近场通信前端电路的匹配电路可以进一步包括并联电容，该并联电容耦合在地电位与位于该感测电容器与该近场通信天线之间的公共节点之间，并且该近场通信前端电路的匹配电路可以进一步包括Q因数调节电阻器，该调节电阻器耦合在地电位与位于该感测电容器与该近场通信天线之间的公共节点之间。

该系统可以进一步包括开关，该开关耦合在Q因数调节电阻器与位于该感测电容器与该近场通信天线之间的公共节点之间。

该开关可以被配置为在电容检测期间断开该Q因数调节电阻器，并在该电路的NFC功能期间连接该Q因数调节电阻器。

在电容检测期间，通过断开Q因数调节电阻器，可以提高感测电容器的灵敏度。

现在将参考附图对各示例进行解释。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1示意性地展示了无钥匙启动和进入系统的一般原理。

图2示意性地以电路图展示了NFC前端电路。

图3示意性地以电路图展示了另一个NFC前端电路。

图4示意性地展示了包括天线和电容式传感器的布置。

图5示意性地以电路图展示了另一个NFC前端电路。

在附图中，只展示了对理解本发明有用的此类要素。例如，下面描述的电路图可能包括比图中展示的示例性要素更多的要素。然而，为了清楚起见，省略了实施本发明所不需要的任何此类要素。

图1展示了具有无钥匙启动和进入系统的车辆10。该启动和进入系统包括控制单元20。控制单元20可以布置在车辆10内或其上的任何地方。控制单元20被配置为当在车辆10附近或内部检测到属于车辆10的电子钥匙时触发解锁或发动机启动过程。控制单元20可以发出查询信号。这种查询信号通常是低频(约20kHz至200kHz)信号。这些查询信号是用第一编码图表进行编码的。如果应答器单元30在查询信号的范围内，则该应答器单元30可以接收到这些信号。应答器单元30对查询信号进行解码、分析和/或进一步处理。在进一步处理这些查询信号之后，应答器单元30将响应信号发回控制单元20。这些响应信号是用第二编码图表进行编码的。这些响应信号可以通过例如负载调制来生成，并且可以在车辆10中被解码。

车辆10知道这两个编码图表，并且可以将原始查询信号与所接收的响应信号进行比较。如果响应信号被识别为正确，则车辆10将被解锁。如果启动按钮被按压并且响应信号被识别为正确，则车辆10将被启动。如果在发送查询信号后的一定时间段内，没有接收到任何响应信号或接收到不正确的响应信号，则不会发生任何事情，并且车辆10保持锁定和/或关闭。

应答器单元30可以布置在车辆钥匙内或例如车辆10的用户随身携带的便携式设备(比如移动电话)内。

控制单元20可以以规律的间隔或响应于某一触发事件而发出查询信号。例如，这种触发事件可以是用户触摸门把手或按压启动按钮。

近场通信(NFC)可以用于任何类型车辆(乘用车、卡车、公共汽车、火车等)以及建筑物(例如私人住宅、办公设施或公共建筑物)的启动和进入系统。NFC是一种用于提供短距离无线连接以在电子设备之间进行双向交互的技术。NFC由NFC论坛推进和维护，该论坛是一个非营利性的行业协会，创建的目的是推动NFC技术在消费电子产品、移动设备和PC中的使用。NFC论坛促进NFC技术的实施和标准化，从而确保设备与服务之间的互操作性。NFC具有RFID(射频识别)的特质，有一套附加的、特定的标准来确保支持NFC的装置的互操作性。NFC标准确定了操作环境、数据格式、传输速率和调制等内容。

NFC使用NFC设备之间的感应耦合，并且以13.56MHz(这是无线电频谱HF部分的免许可分配)的电磁场进行操作。一个NFC设备可以从另一个NFC设备产生的场中汲取电力，从而使其独立于电源。NFC设备可以在小型物体中实施，比如在标签、贴纸、按键式遥控器或卡中实施。

近场通信定义了两种类型的NFC设备。它们被称为发起方和目标方。发起方是发起通信的设备。它还控制数据交换。目标方是响应发起方的请求并接受与发起方的通信发生的设备。

在已知的启动和进入系统中，车辆10中的控制单元20通常是发起方。控制单元20搜索在控制单元20周围的、特别是在控制单元20内的产生电磁场的天线附近的其他NFC设备。如果检测到另一个NFC设备，则控制单元20可以发出查询信号，如上所述。因此，对另一个NFC设备的检测可以是触发设备之间的通信和对应答器单元30的认证的触发事件。在这种情况下，应答器单元30通常是目标设备。

NFC识别两种操作模式：被动模式和主动模式，以及三种通信模式：读/写模式、卡模拟模式和点对点模式。在被动操作模式下，只有一个NFC设备产生NFC场。从这个意义上说，该设备是主动的，并且始终扮演着NFC发起方的角色。被动模式也可以称为轮询模式。发起设备可以定期改变为轮询模式。在轮询模式下，设备会产生电磁场并搜索其他NFC设备。在被动模式下，设备始终是被动的，并且扮演NFC目标方的角色。主动设备(发起方)通过调制它产生的场的载波来传输数据。该调制由被动设备检测到并解译为数据。被动设备通过对场的强度进行负载调制将数据传输给主动设备。主动设备检测场的变化并将其解译为数据。

工作距离和数据速率一般取决于发起方的天线尺寸和场调制幅度。在全部两个方向上，要在设备之间传输的数据都是用ISO/IEC RFID和NFC特定标准中定义的方法进行编码的。被动模式通常用于标签或智能卡的非接触式读取。

在主动操作模式下，两个NFC设备都产生RF电磁场。每一例都可以使用ASK(幅移键控)调制方案传输数据。取决于NFC技术，其他调制方案也是可能的。与被动模式相比，可以实现长达1m的更长的操作距离(取决于协议)。当使用PSK(相移键控)调制类型时实现高达6.78Mbit/s的高数据传输速率，这被称为VHBR(超高比特率)。在主动模式下，NFC目标方生成主动负载调制，以回应发起方的请求。因为发射和接收都使用同一个无线电信道，因此无线电传输是半双工的。

以读/写模式进行通信的NFC设备从NFC对象中读取数据或向其写入数据。然后，这个设备可以取决于从该对象读取的信息采取行动。例如，靠近NFC标签的NFC电话可以取得URL并进入对应的网站。读/写模式通常使用NFC论坛定义的消息格式。这种模式下的数据传输是不安全的。在点对点(P2P)模式下，支持NFC的设备以主动模式进行操作。设备之一发起通信链路。一旦建立了链路，设备就会交替地相互交换信息，应用先听后说的规则。与其他通信模式相比，这种通信模式下的数据交换更快，所以可以交换更大的数据量。

典型的NFC接收器具有内置功能，比如诊断功能，这例如需要对天线电流和/或天线电压进行定期测量。例如，这种测量可以用16位的ADC分辨率和低电流消耗来执行，并且测量可以例如由发起方在轮询模式期间执行。

现在参考图2，示意性地展示了示例性的NFC前端电路。NFC前端电路可以包括NFC控制器40和低通滤波器42，该低通滤波器包括第一电感Lemc1和第二电感Lemc2以及第一电容Cemc1和第二电容Cemc2。第一电感Lemc1和第一电容Cemc1串联耦合在NFC控制器40的第一端口Tx1与地电位GND之间。第二电感Lemc2和第二电容Cemc2串联耦合在NFC控制器40的第二端口Tx2与地电位GND之间。该电路可以进一步包括第一隔直流电容和第二隔直流电容Cdc、差分到单端转换器BALUN、NFC天线L_ant和匹配电路44，该匹配电路44包括串联电容C_ser、并联电容C_par和Q因数调节电阻器R_q。

隔直流电容Cdc中的第一隔直流电容耦合在差分到单端转换器BALUN与位于第一电感Lemc1与第一电容Cemc1之间的公共节点之间。隔直流电容Cdc中的第二隔直流电容耦合在差分到单端转换器BALUN与位于第二电感Lemc2与第二电容Cemc2之间的公共节点之间。差分到单端转换器BALUN可以以第一端口耦合至第一隔直流电容Cdc，并且以第二端口耦合至地电位GND。差分到单端转换器BALUN可以进一步以第三端口耦合至第二隔直流电容Cdc，并且以第四端口耦合至地电位GND。

匹配电路44耦合在NFC天线L_ant与位于第一隔直流电容Cdc与差分到单端转换器BALUN之间的公共节点之间。匹配电路44的串联电容C_ser串联耦合在NFC天线L_ant与位于第一隔直流电容Cdc与差分到单端转换器BALUN之间的公共节点之间。并联电容C_par和Q因数调节电阻器R_q各自耦合在地电位GND与位于串联电容C_ser与NFC天线L_ant之间的公共节点之间。

根据一个示例，匹配电路44的部件可以具有以下值以实现最佳匹配：C_ser＝20pF-56pF，C_par＝120pF-270pF，并且R_q＝1kΩ-10kΩ。不过，这些值仅是示例。取决于具体的应用，其他值也可能是合适的。

如上所述，例如，车辆10与应答器单元30之间的通信可以响应某一触发事件(比如，用户触摸门把手)而启动。因此，可以在车辆10中布置一个或多个接近传感器或物体检测传感器。这种接近传感器通常实施为电容式传感器。例如，电容式接近传感器可以包括传感器电极。这个传感器电极形成电容器的第一电极。布置为靠近传感器电极的物体可以形成该电容器的对电极。当物体(例如用户的手)接近传感器电极时，由传感器电极和对电极(物体)形成的电容器的电容会取决于传感器电极与对电极之间的距离而变化。

可以使用直接或间接技术确定接近传感器的电容变化。例如，可以通过例如所谓的双斜率技术(通过将电容转换为频率)或充电/放电技术(确定电容的充电和放电次数)来确定电容的变化。

这需要除已经存在于车辆10中的其他电路和部件之外的接近传感器。

现在参考图3所示的电路布置，通过在NFC前端电路中并入电容式接近传感器C_sense，减少了部件的总数量。仅在图3中展示了那些对于理解一般原理而言必要的部件。电容式接近传感器C_sense可以替代上文关于图2所述的NFC前端电路的串联电容C_ser。即，图3的布置中的感测电容器C_sense可以实现两种不同的功能。一方面，它可以在NFC前端电路的匹配电路44中充当串联电容。另一方面，它可以另外充当电容式接近传感器。

例如，感测电容器C_sense可以包括交错的传感器图案。交错的传感器图案包括第一电极和第二电极，这些电极共同形成具有大量边缘电容的非常长的平行板电容器。接近的物体以两种不同的方式改变交错的电容式传感器的电容。一般地，存在从耦合至电容式感测电路的第一传感器电极到接近物体的板面的简单板极电容。电场在第一电极与第二电极之间以及与电极邻接的环境中产生。接近的物体也会借由穿过传感器上方环境的电场而干扰边缘电容的一部分。物体的电介质(介电性高于空气)拦截该场的一部分，从而增大了传感器布置的电容。如果例如在传感器上方布置覆盖材料，那么边缘电容的这种增加可能是显著的。

图4中示意性地展示了交错的传感器图案的一个示例。本示例中的第一电极50和第二电极52各自包括梳状结构，其中，电极50、52的尖齿或齿状物交错排列。例如，第一电极50和第二电极52可以形成为印刷电路板上的导电迹线。NFC天线60也可以通过印刷电路板上的导电迹线来形成。如图4中示例性地展示的，可以将传感器电极50、52布置在形成NFC天线60的导电迹线的上方。由传感器电极50、52产生的电场通常不影响由NFC天线60产生的电场。以这种方式，可以在印刷电路板上实现节省空间的布置。然而，传感器电极50、52也可以远离NFC天线60地布置印刷电路板上。

上述布置甚至允许检测到电容的微小变化。例如，可以检测到0.5pF到1pF之间的变化。取决于布置中使用的感测电容器C_sense，当用户的手或任何其他物体移动到由传感器电极50、52产生的电场中时，可以检测到高达10pF或甚至更高的电容变化。感测电容器C_sense的电容可以通过首先确定Rx反馈线Rxp、Rxn(如图2和图5的示例所示)上接收的电压来确定。Rx反馈线各自可以包括电容Crxp/Crxn和电阻器Rrx1/Rrx2，它们串联耦合在NFC控制器40的端口Rxp/Rxn与位于第一电感Lenc1与第一电容Cemc1之间或第二电感Lemc2与第二电容Cemc2之间的公共节点之间。

然而，图4中展示的传感器电极50、52的形状和布置仅是示例。也可以使用交错的传感器电极50、52的任何其他合适的形状和布置。

如图5的电路图中示例性地展示的，可以通过使用开关S1断开品质因数调节电阻器R_q来提高感测电容器C_sense的灵敏度。开关S1可以被配置为在电容检测期间断开电阻器R_q(开关S1断开)，并在电路的NFC功能期间连接电阻器R_q(开关S1闭合)。

通过上述的示例性布置，通常已经存在于车辆10中的NFC功能可以与电容式感测功能相结合，而不需要额外的部件。NFC控制器40可以被配置为充当常规的NFC控制器，并另外执行所需的电容式感测功能。

图中示例性地展示的部件并不只布置在乘用车中。例如，这些部件可以替代性地布置在如卡车或公共汽车等任何其他类型的车辆中以及建筑物或车库中。一般来说，控制单元20可以布置在期望使用电子钥匙解锁或启动的任何物体内。

附图标记清单

10 车辆

20 控制单元

30 应答器单元

40 NFC控制器

42 低通滤波器

44 匹配电路

50 第一电极

52 第二电极

60 NFC天线

Rxp，Rxn Rx反馈线路

Tx1，Tx2 第一端口和第二端口

Crxp，Crxn 电容

Rrx1，Rrx2 电阻器

Lemc1，Lemc2 电感

Cemc1，Cemc2 电容

Cdc 隔直流电容

C_ser 串联电容

C_par 并联电容

R_q Q因数调节电阻器

L_ant NFC天线

BALUN 差分到单端转换器

C_sense 接近传感器

S1 开关

Claims (10)

1.一种系统，包括：

近场通信控制器(40)；

电耦合至该近场通信控制器(40)的近场通信天线(L_ant)；以及

耦合在该近场通信天线(L_ant)与该近场通信控制器(40)之间的近场通信前端电路，其中，

该近场通信前端电路包括感测电容器(C_sense)，该感测电容器被配置为在该近场通信前端电路的匹配电路(44)中充当串联电容，

该感测电容器(C_sense)被进一步配置为另外充当电容式接近传感器，并且

该近场通信控制器(40)被配置为充当近场通信控制器并另外执行电容式感测功能。

2.如权利要求1所述的系统，其中，该感测电容器(C_sense)包括交错的传感器图案。

3.如权利要求2所述的系统，其中，该感测电容器(C_sense)包括第一电极(50)和第二电极(52)，这些电极共同形成非常长的平行板电容器，其中，在该第一电极(50)与该第二电极(52)之间以及在这些电极(50、52)周围的环境中产生电场。

4.如权利要求3所述的系统，其中，接近该感测电容器(C_sense)并进入由这些传感器电极(50，52)产生的该电场的物体会影响该感测电容器(C_sense)的电容。

5.如权利要求3或4所述的系统，其中，该第一电极(50)和该第二电极(52)形成为印刷电路板上的导电迹线。

6.如权利要求5所述的系统，其中，该近场通信天线(L_ant)形成为该印刷电路板上的导电迹线，并且这些传感器电极(50，52)布置在形成该近场通信天线(L_ant)的这些导电迹线的正上方。

7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，

该感测电容器(C_sense)串联耦合在该近场通信控制器(40)与该近场通信天线(L_ant)之间，

该近场通信前端电路的匹配电路(44)进一步包括并联电容(C_par)，该并联电容耦合在地电位(GND)与位于该感测电容器(C_sense)与该近场通信天线(L_ant)之间的公共节点之间，并且

该近场通信前端电路的匹配电路(44)进一步包括Q因数调节电阻器(R_q)，该调节电阻器耦合在该地电位(GND)与位于该感测电容器(C_sense)与该近场通信天线(L_ant)之间的该公共节点之间。

8.如权利要求7所述的系统，进一步包括开关(S1)，该开关耦合在该Q因数调节电阻器(R_q)与位于该感测电容器(C_sense)与该近场通信天线(L_ant)之间的该公共节点之间。

9.如权利要求8所述的系统，其中，该开关(S1)被配置为在电容检测期间断开该Q因数调节电阻器(R_q)，并在该电路的NFC功能期间连接该Q因数调节电阻器(R_q)。

10.一种车辆，包括如权利要求1至9中任一项所述的系统。

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