CN1269067C - 用于被动传感器监视系统的询问方法 - Google Patents

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Abstract

确定多个谐振器件(例如三个SAW器件)的频率的方法包括：为每个器件确定最佳询问频率，最佳询问频率具有最大功率谱密度；为每个传感器累积多个响应；对采样结果进行离散傅立叶变换以估算三个谐振频率；以及对傅立叶变换的结果求平均以提供谐振频率的指示。求平均的步骤可包括计算标准偏差和拒绝与平均频率结果相差了标准偏差的预定倍数以上的任何结果。通过所述方法确定的频率可被用于计算传感器器件的压力和温度。传感器器件可被置于车辆轮胎中。

Description

用于被动传感器监视系统的询问方法
本发明涉及一种基于无线询问的被动传感器发射机应答器来询问传感器系统的方法，所述被动传感器应答器例如被用于测量车辆轮胎中空气压力和温度。更具体而言，本发明的优选实施例提供了一种被动传感器询问算法，其允许对压力和温度的高精度测量。
对被动压力和温度传感器的无线询问问题的许多解决方案在现有技术中是已知的。传感器利用单端口延迟线或单端口谐振器，优选地基于SAW技术，尽管其它途径亦是可能的(例如，体声波器件或电介质谐振器)。延迟线〔见F.Schmidt and G.Scholl，Wireless SAWidentification and sensor systems。书名“Advanced in SurfaceAcoustic Wave Technology，Systems and Applications”，Ed.C.W.C.Ruppel and T.A.Fjeldly，Singapore，World Scientific，2002，p.287.〕或谐振器〔见W.Buff，S.Klett，M.Rusko，J.Ehrenpfordt，and M.Goroll.Passive remote sensing fortemperature and pressure using SAW resonator devices.IEEETrans.On Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1388-1392.〕的使用受这样的必要性支配，即一方面区分被动传感器响应而另一方面区分直接馈通信号以及环境回波信号的必要性。这是通过采用延迟线和谐振器的脉冲响应比任何寄生信号长的多的事实而实现的。
基于延迟线的被动SAW传感器的询问通常是借助很短(典型为0.1μs)的RF脉冲来进行的。作为结果，询问系统需要10MHz或更高的相对宽的带宽，这在低于1GHz的免许可的工业、科学和医疗(ISM)带中是不能获得的。基于高Q因子单端口谐振器的传感器较适合于这些带，这是由于其具有窄带响应。为此，我们应将注意力集中在优选地基于SAW谐振器的谐振器型被动传感器的询问上。询问的主要目的是测量在由相对长和窄带的RF询问脉冲来激励的谐振器中自然振荡的频率(谐振频率)。由于可以使谐振频率依赖于温度和压力，因此已知谐振频率可允许计算温度和压力。
为了排除变化的天线阻抗对谐振频率的影响，现有技术〔见以上提及的W.Buff，S.Klett，M.Rusko，J.Ehrenpfordt，and M.Goroll〕提出了测量被连接于一个天线的两个相似谐振器(可能有略为不同的谐振频率)的自然振荡频率之间的差。如果两个谐振器处于相同的温度并具有不同的压力灵敏度，则可从频率差得到压力，并且温度的影响将被大大减小。这两个谐振器可通过同时在两个谐振器中的双谐波RF脉冲激励的自然振荡来询问〔见GB9925538.2〕。当询问脉冲结束时，响应将提供一个指数衰减的拍信号，其具有与所测频率差相等的拍频。拍频可借助振幅检测和周期计数来精确地确定。
在同时测量压力和温度两者的情况下，需要被连接于一个天线的至少三个谐振器并且需要测量两个频率差以计算两个未知数，压力和温度〔见W.Buff，M.Rusko，M.Goroll，J.Ehrenpfordt，andT.Vandahl.Universal pressure and temperature SAW sensor forwireless applications.1997 IEEE Ultrasonics Symp.Proceedings，1997，pp.359-362〕。在此情况下测量拍频是不可能的。以下询问技术从文献中是已知的。
1.依次通过RF脉冲来激励谐振器。每个谐振器的指数衰减的响应由天线拾取，被用作用于谐振频率的选通PLL跟踪变化的输入信号〔见A.Pohl，G.Ostermayer，and F.Seifert.Wireless sensingusing oscillator circuits locked to remote high-Q SAWresonator.IEEE Trans.On Ultrasonics，Ferroelectrics，andFrequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1161-1168〕。该技术较适合于单个谐振器，而在三个谐振器的情况下变得过于麻烦和不可靠，特别是当其频率彼此接近时。
2.依次通过RF脉冲来激励谐振器。每个谐振器的指数衰减的响应由天线拾取，被下转换成较低的中间频率，然后自然振荡的周期被计数〔见GB9925538.2〕。该方法对于单个谐振器或当谐振频率之间的距离比谐振器带宽大的多时有很好的效果。然而，如果它小于带宽的10倍(在ISM带中就是这样)，则多于一个的谐振器将被RF脉冲激励，从而导致传感器响应中的寄生频率调制和测量精度的大幅减小。
3.在一次运行中激励全部三个谐振器。传感器响应的频谱借助离散傅立叶变换在接收器中被分析，并且全部谐振频率被测量〔见L.Reindl，G.Scholl，T.Osterag，H.Scherr，and F.Schmidt.Theory and application of passive SAW radio transponders assensors.IEEE Trans.On Ultrasonics，Ferroelectrics，andFrequency Control，vol.45，No.5，1998，pp.1281-1291〕。该途径允许对大量谐振器的询问。然而，它需要使用覆盖传感器工作的整个频率范围的宽带RF脉冲。记住询问脉冲的峰值功率被限制于ISM带中(通常它不大于10mW)，显然扩展脉冲的频谱将减小谐振器激励的效率。它不利地影响了信噪比(SNR)并因此影响了测量精度。
本发明的目的是提供一种询问方法，其保留了傅立叶分析的优点，同时提供了谐振器激励的高效率和测量的高精度。
依照本发明的一个方面，询问多个谐振器件以确定器件的相应谐振频率的方法包括以下步骤：
(1)为每个谐振器件确定最佳询问频率；
(2)以由步骤(1)确定的其相应最佳询问频率来重复询问每个谐振器件多次；
(3)对作为步骤(2)的结果而累积的数据进行离散傅立叶变换，以及
(4)确定从步骤(3)得到的频率的平均值。
参考附图，从对仅为了举例而给出的本发明优选实施例的以下描述中将较好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地示出用于在车辆轮胎中使用的压力和温度监视系统；并且
图2示出本发明提出的询问算法。
首先参考图1，本发明特别适用于监视车辆轮胎中的温度和压力的系统。然而应理解，本发明不局限于这种应用，并且适用于要监视压力和温度的其它情况，或者实际上适用于要通过被动传感器系统测量多个其它周长的其它情况。本发明的优选实施例包括三个表面声波器件SAW1、SAW2和SAW3，其被连接于公用天线12。尽管作为产生指示所传感条件的信号的装置，SAW器件是优选的，然而应理解本发明不局限于这样的器件，并且可采用能借助谐振频率来提供适当指示的其它被动传感器。
在本发明的特定优选应用(车辆轮胎压力和温度传感)中，SAW器件SAW1、SAW2、SAW3以及天线12作为单元A被安装于车辆轮胎内。激励和监视单元B被置于车辆上以提供激励信号给轮胎安装单元并从它接收响应信号。为此，单元B包括天线11，用于与包装A的天线12通信。
询问脉冲由通过发射器合成器10激励的功率放大器8产生。该脉冲经过RF开关1到达询问单元B的天线11。所辐射的电磁波被传感器单元A的天线12拾取，由此激励传感器中的三个SAW谐振器。再次辐射的传感器响应被传感器天线发射并由天线11接收。该信号经过前端低噪放大器2到达频率转换器，在这里它被与接收器合成器3的信号混合。接收器合成器3和发射器合成器10之间的频率差等于中间频率，例如1MHz。该IF信号经过滤波器4和限幅放大器(其增加接收器的动态范围)到达8位或10位模拟到数字转换器6，其具有与IF相比足够高的采样速率，例如10或20MHz。数字格式的传感器响应被存储在DSP芯片7的内部存储器中，在这里，它在询问过程中被以相干方式累积。然后所述芯片对全部三个SAW传感器执行对数据的傅立叶变换，计算三个谐振频率，执行求平均过程并计算压力和温度。DSP芯片7亦控制合成器3和10、RF开关1和ADC 6的工作。此外，它亦使能和禁止功率放大器8和LNA 2以增加接收器和发射器之间的隔离。作为确保传感器响应的相干累积的措施之一，相同的石英晶体振荡器9被优选地用作用于两个合成器并用于DSP芯片的基准。
以上系统亦可通过使用增加图像通道拒绝(image channelrejection)的双频转换接收器来实施。可替换的接收器体系结构可基于直接频率转换。这将导致去除一个合成器并增加第二混合器和ADC以产生正交通道。
现在参考图2，本发明的优选方法将被描述。三个谐振器SAW1、SAW2、SAW3具有略为不同的谐振频率和不同的温度和压力灵敏度。频率以以下方式被选择：其之间的最小距离在任何压力和温度下不小于谐振器带宽。作为结果，整个工作频带(例如ISM带)被分成由这三个谐振器占用的三个子带。
传感器A是通过具有等于或小于谐振器带宽的谱宽的矩形RF脉冲来询问的。这在询问频率接近于谐振器谐振频率的情况下确保了对谐振器的有效激励。在每个子带中，存在以以下方式被选择的几个离散询问频率：其之间的距离等于或小于谐振器的带宽。离散询问频率的数量取决于SAW谐振器的Q因子。例如，在无载Q＝5000的情况下，具有434MHz ISM带内的九个询问频率将是足够的。
作为结果，不论温度和压力怎样，将总存在确保三个谐振器的最佳激励的来自所选离散频率集合的三个询问频率。激励从以下意义上来说是最佳的，即在询问脉冲的结尾谐振器中振荡的振幅将接近于用于给定激励振幅的最大的可能的一个。
询问过程由如图2中的流程图所示的五个主要阶段组成。
1.确定使传感器响应的功率谱密度最大的三个最佳询问频率
在该阶段，逐个以全部离散询问频率来询问传感器。每次在启动询问脉冲之后，传感器响应被接收并且其谱密度被得到。这可例如通过频率下转换，以中间频率来采样响应并计算离散傅立叶变换而实现。之后，三个最佳频率被选择，每个子带中一个，从而给出谱密度的最大峰值。可替换的是，如果具有自动增益控制的线性放大器被用在接收器中，则可选择使谱密度的峰值与其旁瓣的平均电平的比最大的三个频率。可替换的是，如果限幅放大器被用在接收器中，则可选择使传感器响应的长度最大的三个频率。
在该阶段，我们可能已通过测量谱密度的峰值频率确定了三个谐振频率。然而，由于噪声的存在和傅立叶分析的有限分辨率，这将仅给予我们对自然振荡实际频率的粗略估算。
2.传感器响应的相干累积
在该阶段，我们依次以每个最佳询问频率来重复对传感器的询问N次。由接收器拾取的信号被下转换、采样并以相干方式累积于系统存储器中的三个数据阵列中。相干累积的目的是使SNR增加√N倍。例如，通过使用在接收器和发射器合成器两者中并作为DSP芯片中的时钟发生器的公用的石英稳定化的振荡器可确保相干累积。换句话说，处于中间频率的询问信号的周期以及询问脉冲之间的距离被选择成采样周期的整数。此外，所累积的脉冲的数量N被选择成足够小(N＝10...30)以使相干累积(近似1...2ms)所需的总时间与车辆轮胎旋转的周期相比足够小(例如1/40)。作为结果，传感器天线位置的变化将不导致累积期间传感器响应的相位的大变化。从使三个谐振器之间的频率差变化最大的观点来看它也是重要的，所述变化是由作为轮胎旋转的结果的天线阻抗变化而导致的。
在进行相干累积之前，亦在三个最佳询问频率的每个处检查干扰的存在。这可例如通过比较在询问脉冲不存在的情况下所接收的信号的谱密度的最大值与适当的阈电平而实现。较简单的干扰检测过程亦可被用在相干累积循环内。在此情况下，可通过在启动每个询问脉冲之前的1-2μs内测量所接收的信号的峰值来检测干扰。
3.离散傅立叶变换和插值
在该阶段，作为相干累积的结果而获得的三个数据阵列被用于借助离散傅立叶变换(DFT)来计算三个谱密度。每个谱都包含对应于单个谐振器频率响应的峰值，尽管由于两个其它谐振器的激励而可以有其它峰值。然而，主峰值具有较大的振幅，而较小的峰值被忽略。主峰值频率对应于自然振荡的相关频率。傅立叶分析的分辨率Δf通过零填充增加以使分析时间例如从10-20μs被增加到高达0.1-0.2ms，从而给出Δf＝5-10kHz。该精度对于许多应用仍是不够的。
通过在峰值频率附近使用正交或较高阶插值以精确地得到用于每三个谐振器的谐振频率可实现精度的进一步增加。作为结果，精度不再由傅立叶分析的分辨率来限制而主要由系统噪声来限制。
除了由于噪声而造成的频率测量误差的随机分量以外，亦存在由于传感器响应的有限长度而造成的系统分量(偏离)。偏离的值取决于中间频率处传感器响应脉冲的初始相位角，并且它可从相干累积的一个循环到另一个而变化。预测它是不可能的，这是因为初始相位是由未知谐振频率和询问频率之间的距离来确定的。以下方法被用于在很大程度上减小偏离并因此增加系统的精度。
a)相干累积在每个询问频率处被重复两次，但90°的附加相移在累积的第二循环期间被引入到询问脉冲中。可替换的是，以延迟τ＝1/(4fint)来获取采样，其中fint是累积的第二循环期间的额定中间频率(询问频率和本地振荡器的频率之间的差)。DFT和插值过程亦被进行两次，并且两个所得峰值频率的平均值被得到。该平均频率变得更接近于所测的谐振频率，这是因为两个峰值频率中的偏离具有相反的符号和近似相等的绝对值，因而它们相互抵消。该方法的缺点是测量的总时间被加倍。
b)第二种方法不需要增加测量时间。相干累积在每个询问频率处被重复一次。采样速率以以下方式被选择：采样间隔Ts对应于额定中间频率处的90°相移除以任何整数。换句话说，Ts＝τ/n，其中n＝1，2，3...。例如，如果fint＝1MHz，则由于τ＝0.25μs，Ts可被选择成等于0.05μs。对从第一个开始的采样进行第一DFT，并且对从第n个开始的采样进行第二DFT。实际上这意味着我们具有了两个采样集合之间的90°相移。作为对借助DFT和插值而得到的两个峰值频率求平均的结果，偏离的值在很大程度上被减小。举例来说，对于350kHz的三个谐振频率之间的最小距离，偏离的最大值从1.69kHz被减小到0.57kHz。
4.对谐振频率数据的统计学处理和分析
阶段1到3(或者仅当谐振频率慢并且不需要阶段1的频繁重复时，阶段2或3)被连续重复，并且有关三个谐振频率的数据被存储在系统存储器中的数据阵列中。在插值的M次循环(M可在宽范围内变化，例如从10到300)之后，三个谐振频率的每个的平均值f1，2，3和标准偏差σ1，2，3被计算。作为结果，与σ1，2，3相比，f1，2，3的标准偏差被进一步减小到近似1/√M。然后对不满足条件
    |fi-f1，2，3|≤kσ1，2，3
(其中k可具有从1到3的值)的相关阵列中的所有频率fi不予考虑，并且再次重新计算平均频率。进行最后的过程是为了排除相干累积期间干扰的可能影响和信号振幅的突然减小，其可导致谐振频率的粗略误差。标准偏差σ1，2，3亦可被用作对有关谐振频率的信息的有效性的量度。
5.压力和温度的计算
在求平均之后，两个差频率被计算，然后使用例如在Ref.[4]中描述的途径而得到压力和温度。
所提出的询问方法的目的是实现好于5×10-6的谐振频率测量精度。在工作于434MHz ISM带中的SAW谐振器的情况下，它应给出好于1psi的压力测量精度和好于1℃的温度测量精度。

Claims (15)

1.一种询问多个谐振器件以确定器件的相应谐振频率的方法，包括以下步骤：
(1)为每个谐振器件确定最佳询问频率；
(2)以由步骤(1)确定的其相应最佳询问频率来重复询问每个谐振器件多次；
(3)对作为步骤(2)的结果而对每个谐振器件累积的数据进行谱估算，以及
(4)确定从步骤(3)得到的频率的平均值。
2.权利要求1的方法，其中步骤(3)包括对在步骤(2)获得的信号进行离散傅立叶变换。
3.权利要求1或权利要求2的方法，其中步骤(4)包括为每个所确定的平均频率而确定标准偏差；拒绝与平均频率相差了标准偏差的预定倍数以上的任何频率；以及在排除了被拒绝的数据之后重新计算平均频率。
4.权利要求1或权利要求2的方法，其中最佳询问频率是通过确定来自谐振器件的信号具有最大功率谱密度时的频率而确定的。
5.权利要求4的方法，其中最大功率谱密度是通过频率下转换，在中间频率处采样响应并计算离散傅立叶变换而确定的。
6.权利要求4的方法，其中最大功率谱密度是借助具有自动增益控制的线性放大器来确定的，最佳询问频率被选择成使谱密度的峰值对其旁瓣的平均电平的比最大。
7.权利要求4的方法，其中最大功率谱密度是通过使用限幅放大器来确定的，最佳询问频率被选择成使传感器响应的长度最大。
8.权利要求1，2，5，6或7中任何一个的方法，其中最佳询问频率位于ISM带的相应子带内。
9.权利要求1，2，5，6或7中任何一个的方法，其中在权利要求1的步骤2的重复期间，所接收的每个信号被下转换、采样并累积以提供最佳询问频率的相干累积。
10.权利要求9的方法，其中相干累积是通过使用在接收器和发射器合成器中的公用振荡器和DPS芯片中的时钟发生器而实现的。
11.权利要求1，2，5，6，7或10中任何一个的方法，其中步骤2中的重复性询问的数量和进行这种询问的速度是这样的，与相对于询问设备的传感器的任何循环运动的周期相比，总询问周期是小的。
12.权利要求1，2，5，6，7或10中任何一个的方法，其中每个相干累积在每个询问频率处被重复，但90°的附加相移在累积的第二循环期间被引入到询问脉冲中，或者以累积的第二循环期间的延迟来获取采样。
13.权利要求1，2，5，6，7或10中任何一个的方法，其中采样速率以以下方式被选择：采样间隔对应于中间频率处的90°相移除以一个整数。
14.权利要求1，2，5，6，7或10中任何一个的方法，其中在权利要求1的步骤(4)所确定的平均谐振频率被用于计算压力和温度。
15.权利要求1，2，5，6，7或10的方法，其中谐振器件是SAW器件。
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