CN1221916C - 用于自行车如竞赛自行车的多处理器控制系统 - Google Patents

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    • A63B24/00—Electric or electronic controls for exercising apparatus of preceding groups; Controlling or monitoring of exercises, sportive games, training or athletic performances

Abstract

一种用于自行车的电控制系统，与一组传感器(41，42……4n，36，37)、一组致动器(38，39)和一组与自行车相连的控制部件(28，29)相连，它包含：一第一处理器单元(10)，其功能是作为处理和显示信息单元；一第二处理器单元(20)，其功能是作为控制通信单元和上述控制部件组(28，29)的接口单元；以及一第三处理器单元(30)，其功能是作为上述传感器组(41，42，……4n，36，37)和上述致动器组(38，39)的接口单元。第一处理器单元(10)与第二处理器单元(20)之间和第二处理器单元(20)与第三处理器单元(30)之间分别通过一个异步双向通信信道(12，23)串行连接。

Description

用于自行车如竞赛自行车的多处理器控制系统
技术领域
本发明涉及用于自行车的控制系统，并已经注意到了在可能的应用-竞赛自行车中的发展。在任何情况下，提及这个可能的应用，尤其是提及竞赛自行车的应用，并不能理解成为是将本发明的应用局限在该可能领域内。
背景技术
在最近几年中，为了能够获得有关装置的使用/行为状况信息，已经形成了在自行车部分使用各种传感器的趋势，目的是能够通过各种类型致动器的介入，依据一定的准则，以自动的方式和依据用户发出的专用命令，来改变装置的使用/行为状况，尤其是它的设置。
这个趋势表现在采集和处理的数据量持续不断增加方面，这导致需要更多可用的更复杂和分级系统，由于不得不将它们安装在自行车上，因此必须能够使这些系统不会反过来影响后者的性能，尤其是在重量、整体尺寸和电能消耗上。
发明内容
本发明的目的是满足这一部分日益增加要求的需要，并克服上述缺点。
依据本发明，提供一种用于自行车的电控制系统，与一组传感器、一组致动器和一组与自行车相连的控制部件相连，上述电控制系统包含：一第一处理器单元，其功能是作为处理和显示信息单元；一第二处理器单元，其功能是作为控制通信单元和上述控制部件组的接口单元；以及一第三处理器单元，其功能是作为上述传感器组和上述致动器组的接口单元，上述的第一处理器单元与第二处理器单元之间和第二处理器单元与第三处理器单元之间分别通过异步双向通信信道串行连接。
简言之，依据本发明的系统是基于多处理器电子结构，用来控制和管理自行车如竞赛自行车的操作。
依据本发明的解决方案是建立在对要模块化的功能区域进行确认的基础之上的，其目的是得到一个集成控制系统，用于在使用期间内控制自行车的功能以及监控自行车的设置，同时也为了提高由自行车和它的用户所组成的系统的整体性能。尤其是，由功能单元模块化导出的结构能够对系统框架中的信号传播计时进行精确的估算，同时实现连接数量的减少。
附图说明
本发明将仅仅结合非限制性的实例和附图进行描述，其中：
图1用框图的形式表示了依据本发明的系统的整体结构；
图2为一图表，说明了能够将各种模块安装在自行车例如竞赛自行车上从而构成如图1所示系统的方式；
图3是更进一步的框图，说明了如图1中所示的某些元件的特性；
图4到7说明了在依据本发明的系统中，为传送各种信号所采用的模块的更多细节。
具体实施方式
依据本发明的系统作为一个整体用1来表示，它由一组功能块在通信信道级别相互连接构成。上述功能块可以以优化的方式安置于自行车如竞赛自行车上，下面将结合图2对其进行更为详细的描述。
概括来说，系统1基本上包含以下功能块：
-第一块10，其功能是作为系统的显示和管理接口；
-第二块20，其功能是作为管理用户请求的接口和模块，与用户自身所发命令的执行以及在自行车的设置、状态和/或各种功能参数方面的变化有关，同时它还与特殊操作模式(如训练期间等)的可能活动有关；块20还能够执行对来自和连向本系统其它功能模块的通信进行分类的功能；
-第三块30，设计用来实现对特定功能的控制任务，如控制伺服系统部件和/或通过局域无线电网络(例如当前所公知的一种该类型网络-无线局域网WLAN)的通信交换。
从所讨论的模块结构的更为详细的解释中可以获知，块10中通常包含一主处理器101、与之相关的一个或更多个控制按钮102，以及显示器103。
从图2中能更好地看出，将块10建成一个能够可选择性地从自行车上移走的元件是比较可取的。从这种意义上来说，尤其是考虑与块20的通信，块10可以以这样的方式进行配置：利用更深层的处理器块10a使其至少是部分可集成、可复制、和可仿真的，这基本上被配置成为一个所谓的“用户管理器”。设备10a本身被认为是告知的。
块20包含一个主要元件——用来管理通信的处理器201，及其相联的串行控制单元202。相同的块20还进一步包含一个用来管理输入的电路203，可以连接诸如位于自行车把手上的一个或更多个控制按钮28、29(如图2所示)，通常将块20安装在把手上尤其是安装在其中心位置上。
标记205表示一个或更多可能与电路203相连的传感器。例如这些传感器可以是斜率传感器、高度传感器、温度传感器等。这种类型的传感器在现有技术中是公知的，因此在这儿就不需要加以详细描述了。
在这方面，应注意到本发明主要涉及系统1的整体结构、它的块组织结构、和用于在不同的块之间进行协同通信和交互作用的模式。因此当前详细描述主要涉及这些方面，为简洁起见，没有对那些被认为是全部公知的独立元件进行展开描述。
接下来对块30加以解释，标记31表示一个主要用来执行控制致动器如致动器38、39的功能的处理器，将在下文中对它进行描述。标记32表示一个用来实现控制WLAN类型、作为一个整体用320表示的局域网功能的深层处理器。将其与一个或多个传感器41，……，4k，……，4n相连接，这些传感器中的每一个分别加载与其相关的、相应通信接口410，……4k0，……4n0，例如当前所提及的无线外围设备(WPU)。
正被讨论的传感器(包括诸如骑车速度、骑车节奏、骑车使劲程度、用户心跳速率等的传感器)的数量n以及相应接口的数量可以是任意的。
实际上，依据本发明的解决方案最有趣的特征是：准确的说，能够对与系统1相关联的传感器的数量和/或特征选择方面提供很高程度的弹性。
块30以这样的一种方式进行配置，使其能同时接收来自其它传感器或转换器的信号，如用于检测固定在曲柄机构上的曲柄轮的位置的转换器36，或者是由一能够检测自行车链条运动的转换器所构成的传感器37。
另外这些传感器/转换器分别通过用360和370表示的物理线与块30相连，这已经在前面关于WLAN网320中所包含的各种传感器部分讲过了。
控制处理器31，基本上依据如前所述和各种传感器41、……4k……4n及36、37相关的基本双重模式，和各种致动器如用38、39表示的致动器相互作用。例如这些致动器是为了控制自行车换档功能而与前部换档机构和后部换档机构相关联的致动器。
对传感器36和37而言，与致动器38和39的通俯发别通过相应的物理线380和390实现。对于这些物理线而言，具有相连的反馈线381和391是有益的，例如，致动器38和39可以通过反馈线向处理器31指示它们自己的有效位置或操作状态。
因此很明显的，在传感器与网络320相连的情况下，传感器36、37的数目和种类，以及致动器如致动器38、39的数目和种类可以是任意的。此外就通信模式来说，设想在无线网络320中插入一个或更多致动器是可能的。
图2说明了前面所提到的某些元件在自行车中的可能位置。
关于块10、20以及控制按钮28、29的布置已经在前面描述过了。
一般为了将块30置于通过网络320服务的各种传感器41、42、43等的中心地区，将块30置于紧贴瓶状壳体下的位置是比较有利的。在这方面，仅举例来说，将会看到如图2中所示，3个这样的传感器一个置于前叉上(传感器41)，一个接近于曲柄机构(传感器42)，另一个大约位于沿着自行车一个后叉的中间位置(传感器43)。这就传感器44而言，仅举例来说，可以作为一个心跳速率传感器，这已经指出了网络320与那些没有必要置于自行车上的传感器之间进行通信的可能性。
显然可将传感器36置于曲柄机构的相应位置，而更为可取的是将其置于底部支架的相应位置处，同时将传感器37置于后部换档机构的相应位置，这样就能够检测链条的运动情况。在这儿，致动器38表示一个控制换档的致动器。
标记50、50A、50B用业表示在自行车上的电源，如电池等，和用于对所述电池进行充电的发电机的可能布置。此外，假定依据本发明的系统非常适合于用具有很长电池使用寿命的小尺寸电池(如钮扣电池)来供电的话，就应当可以证明这些发电机是经常使用的，而不是完全多余的。
总体来说，很明显地，图2仅以举例的方式提供了如图1中所示的某些元件如何在自行车上进行布置。因此无论如何也不能这样理解：这一图示旨在完全和/局限地说明布局的可能性，尤其是为实现对自行车功能的高级监控而进行功能结合的可能性。
为了对系统1中的数据进行通信和处理，为了获得所描述的功能而涉及的信息数量一定会导致采用那些被认为是优先的技术。
依据双向性标准，最好是用串行格式来创建各种模块之间、尤其是块10、20、30之间的连接。这尤其适用于连接块10和20的通信线12，以及连接块20和30的通信线23。
上述连接方式能够以尽可能减少连接数目的方式，例如避免块10和块30之间的直接连接来传送数据。
块10的设计功能是作为管理系统块(功能基本上与那些所谓的“自行车计算机”相似)，象已经描述的那样，以能使其更好地从自行车中移走的方式进行制造，这可能会导致用块10本身和与块10相互作用的块20来检测块10的插入或移走。
此外，至少对最重要的信息流而言，借助于双向通信，可能会将每一信息流中那些被认为是更重要的信息赋予明显的优先权，而且还可以确保通信的可预测性。此外，系统(尤其是块30)能够恰当监控电源——要么是电池要么是发电机的操作状态。
此外，系统能够优化电能消耗。依据在两个用于工业发明领域、与本申请同一日期的专利申请中详细描述的准则，这能很好地实现。
在这方面，将会意识到将块20最好与元件(支架或类似物)相连其能够使块10可去除安装。同时这种安装方式有利于块和按钮28、29之间的通信，它通过包含在把手中的线能更好地实现。
上述布置还能使块20和块30之间的物理连接更好地固定在一个外壳内，象已经描述的那样，其位于瓶状壳体的下面。
图3的框图非常详细地说明了用于更好地实现块10、块20和块30之间物理连接的模式。
从图3的框图中可以看出，考虑到要允许双向类型的数据交换，连接的数目最好限制在最小值，并且最好是依据异步类型协议实现(因此不需要考虑一同步或时钟信号)。
首先从对连接块10与块20的线12的检查中可以注意到，该线通常除了包含地线86以外，还包含有其他两条用标记84和85表示的线。后两条线分别用业实现从块10到块20的传送，和从块20到块10的传送。
更可取的，线84和85在各自连接的接收端分别连接一个位于线本身和地之间的电阻10R和20R1。上述电阻使之变得可能：通过计算接收信号Rx的逻辑状态从而评估在块之间是否存在物理连接。如果该信号永远为逻辑值“0”，这就意味着没有人在驱动相应的连接，也就是表示不存在连接。在正常的连接状态下，接收信号通过传送信号Tx，至少是暂时地保持在高逻辑电平上(如处于逻辑值“1”)。
一个本质上相似的布置被用于连接块20和块30的线23上。
在这种情况下，地线用标记83表示，同时两条用于从块20到30的传送和从块30到20的传送的线分别用81和82表示。
同样的后两条线81和82在各自的接收端分别连接电阻20R2和30R，这些电阻用来评估物理连接的存在性。
块20基本上具有通讯单元的功能，它主要用来完成以下任务：
-证实系统1是可用的，这意味着所有的功能块10、20和30都存在并相互连接；例如，作为电阻10R不存在的结果，会导致具有显示单元功能的块10的不存在，这可以由刚才所描述的方法检测到，由此块20会介入系统1来禁止后者的全部功能，或者是至少和块10存在相关的功能；
-循环探询网络320的控制单元32从而更新信息并把该信息(在可能的处理之后)传送给块10；
-处理如通过按钮28、29所发布命令的相应请求(将会注意到，为简化表示起见，和块20相连的这些按钮没有在图3中表示出来)，以便决定将上述命令(请求)传送给作为显示单元的块10，与/或块30中包含的控制单元31。
块20的活动是由减少激活资源时间的标准来控制的，这是为了减少电能的损耗。
由块20传送到块20的信息是上面已经描述过的两个功能块31和32所产生的。
块31(其主要具有和致动器如致动器38、39交互作用的功能)仅仅是在其被来自单元20的请求所涉及时才做出反应，也就是说，仅仅在有启动命令时才做出反应。
以对称的方式，块32具有管理网络320的功能，如果能被线35上来自控制器31的信号所激活，就会将来自网络320的信息循环传送到通讯单元20。
更为可取的是将协议和物理接口用于这个目的，除了使用在线81和82上用来启动块20和30之间异步双向通讯的信号以外，还可使用在线89上由处理器201驱动、用于激活配置为从属的处理器31的信号。在线35上由处理器31生成的信号具有释放线82上存在信号的功能，其目的是控制这种情况下作为从属的处理器32。
因此在正常的操作状况下，信息源于处理器32，并传送到单元20。如果需要将请求从块20传送到处理器31，这会依据下面描述的顺序发生：
-激活线89上的信号，该信号用来激活配置为从属的处理器31，并在线35上产生一个用于同样配置为从属的处理器32的释放电平；
-在一段预设时间之后，需要允许完成在处理器32和处理器201之间进行的可能通信，来自块201的请求通过线81上的信号传送到处理器31；
-通过由处理器31激活的信号35重新允许处理器32来控制在线82上的信号；
-一旦执行了请求，处理器31通过信号35自处理器32请求线82上的控制信号，然后在一段预设的时间间隔之后，从处理器31中回复信息到处理器201；以及
-在回复传送结束时，恢复正常的操作状态，通过允许利用的线35使线32允许控制线82上的信号。
此外在通信线23的前后关系中，要注意线90的存在，该线设计用来允许传送来自块30(一般和电源50、50A和50B相连)的供应电压到块20。由于块20甚至在将其从系统中去除时也必须由电源支持，因此它有一个属于自己的可使用的电源10B。
块30和块20之间的通信最好以一预定的波特率并依据字节帧发生。一种类型的帧由处理器32生成到处理器201中；另一种类型的帧则是和处理器31与处理器201有关的。
由于通讯是双向的，因此对于这样两种主要类型的帧中的每一个来说，都存在用于不同情况的特定子类型。
通常相关的帧结构包含一个头字节，使其可能确认传送信息以及帧的特定格式的源头(处理器31、理器32和处理器201等)：
-由处理器32传送给处理器201的数据块；
-由处理器31传送给处理器201的块30的状态和有关致动器的信息：
-由处理器201传送给处理器31的请求；以及/或
-由处理器201传送给处理器32的请求。
然后，接下来的是在传送中所涉及的每一类型帧的特定数据段。然后是提供用于验证通信成功结果的最终控制字节。
在图4到7中表示了一些通讯帧的例子。
在所有上述附图中，标识H表示头字节，同时标识CK表示最终控制字节。
特定来说，图4分为由a)、b)和c)表示的三个部分，表示用于从处理器32传送信息到单元20的帧的一些例子。
例如，图4a)表示一个用于向块20传送与速度传感器、如插入网络320中的传感器41所采集数据有关的信息的帧。
在上述帧中，第一字段C1用来表示由速度传感器产生的脉冲数量和/或在一预定时间内这些脉冲的平均值。第二字段C2用来传送由传感器如踏板节奏传感器所产生的脉冲数量和/或在一定时间内的平均值。
图4b)表示一种非常简单的帧的可能结构，它除了包含头字节H和控制字节CK以外，还包含一个单一字段C3，用于传送与图2中所示的心跳速率传感器44的读数有关的信息。
图4c)表示一种例如用于传送来自踏板力量传感器的信息的帧的非常相似的结构。同样在这种情况下，除了头字节H和控制字节CK以外，该帧还包含一个单一字段C4，用于传送如曲轴转动期间所记录的一定量的值(例如第十六次力值)。
图5表示一个更复杂的帧结构，其中除了包含头H和控制字节CK以外，还包含多个字段C5到C8，用于从处理器31传送关于和自行车传动有关的致动器38、39中的某一个的运行状态的信息到块20。
在这种情况下，字段C5设计用来传送状态信息，同时字段C6传送关于后部换档机械我位置和/或前部换档机构位置的信息。字段C7和C8能够用来表示后部换档机构的位置高度和前换档机构的位置高度。
图6则表示一个可能的、用于从处理器201向处理器31传送信息的帧结构。同样在这种情况下，除了头字节H和控制字节CK以外，帧还包含由标志C9到C11表示的一些字段，这些字段分别用于表示携带一请求字节(依赖于位的位置)、一用于读取/修改的给定地址和一个用于读取/修改的给定值。
最后，图7表示一个可用来从处理器201向控制处理器32传送信息的帧结构示例。在这种情况下，在头字节H的后面跟随字段C12到C14，分别用来表示携带一请求码，一网络320中的相应地址和形成网络320部分单元的配置参数。其后通常跟随控制字节CK。
更为可取的是，每一个包含在图4到7中所表示的帧内的字节，其特征是具有一个开始位下降沿和两个结束位。
当然，在没有损害本发明原则的情况下，构造和实施例的细节可以和这里描述和说明的有很大的不同，因此也没有脱离本发明的范围。

Claims (18)

1.一种用于自行车的电控制系统，与一组传感器(41，42……4n，36，37)、一组致动器(38，39)和一组与自行车相连的控制部件(28，29)相连，上述电控制系统包含：
一第一处理器单元(10)，其功能是作为处理和显示信息单元；
一第二处理器单元(20)，其功能是作为控制通信单元和上述控制部件组(28，29)的接口单元；以及
一第三处理器单元(30)，其功能是作为上述传感器组(41，42，……4n，36，37)和上述致动器组(38，39)的接口单元，
上述的第一处理器单元(10)与第二处理器单元(20)之间和第二处理器单元(20)与第三处理器单元(30)之间分别通过异步双向通信信道(12，23)串行连接。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于：在上述第一处理器单元(10)和上述第三处理器单元(30)之间没有直接的通信信道时，它包含的通信信道(12，23)分别将上述第二处理器单元(20)与上述第一处理器单元(10)相连，上述第二处理器单元(20)与上述第三处理器单元(30)相连。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：上述第三处理器单元(30)至少包含一处理器(32)，配置用来与上述传感器组的至少一个传感器(41，42，……4n)通过无线网相连。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述通信信道(12，23)中至少有一个包含与之相连的电阻(10R，20R1，20R2，30R)用来探测相应通信信道(12，23)的中断。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述电阻(10R，20R1，20R2，30R)与各自连接的至少一个接收端相连，没有信号经过上述电阻就表示相应通信信道(12，23)有中断。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于：至少有一个所述通信信道是介于所述第一处理器单元(10)和所述第二处理器单元(20)之间的通信信道(12)，所述第一处理器单元(10)从系统(1)中分离；所述的至少一个通信信道(12)的中断就表示所述第一处理器单元(10)已经从系统中分离出来。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：对所述第二处理器单元(20)和所述第三处理器单元(30)进行这样配置方式，使其至少执行以下功能中一个：
—从所述第三处理器单元(30)向所述第二处理器单元(20)传送由所述传感器组(41，42，……4n，36，37)采集的数据；
—由所述第二处理器单元(30)查询所述第三处理器单元(20)以确定第三处理器单元(30)的操作状态；
—从所述第二处理器单元(20)向所述第三处理器单元(30)转发来自所述控制组(28，29)的指令请求；
—以静止的状态运行至少上述第三处理器单元(30)的部分(31，32)，其具有从上述第二处理器单元(20)重新激活的能力；以及
—启动从所述第三处理器单元(30)到所述第二处理器单元(20)通过控制信号(35)的信息传送。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第二处理器单元(20)包含：
一通信处理器(201)，配置用来管理上述通信信道(12，23)；以及
一输入电路(203)，作为与上述控制组(28，29，204)的接口。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第三处理器单元(30)包含：
一相应的第一处理器(32)，作为上述传感器组的传感器(41，42，……4n)的无线接口；以及
一相应的第二控制处理器(31)，作为在上述传感器组其它子集(36，37)和上述致动器组(38，39)之间的至少一个的接口。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：将所述第三处理器单元(30)和所述第二处理器单元(20)进行配置用来交换由字节帧构成的信息，该信息依据传送信息的类型不同而有不同的长度。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的字节帧包含至少一个头字节(H)。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的字节帧包含至少一个控制字节(CK)。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于：所述的字节包含初始位的下降沿和两个结束位。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于：将所述第一处理器单元(10)进行配置用来安装在自行车的把手上。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第三处理器单元(30)配置用来安装在自行车瓶状壳体支撑的附近。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于：它包含至少一个电源(50，50A，50B)用作上述第二处理器单元(20)和第三处理器单元(30)的电源供应，所述的至少一个电源配置安装在自行车上。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于：将上述第二处理器单元(20)与第三处理器单元(30)相连的通信信道(23)至少是一个用来传送电源的引线(90)。
18.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的第一处理器单元(10)还与一个相应的自备的电源(10B)相连。
CNB011121602A 2000-03-29 2001-03-29 用于自行车如竞赛自行车的多处理器控制系统 Expired - Fee Related CN1221916C (zh)

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