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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Passive-Entry- und/oder eines Passive-Go-Systems
sowie ein Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System.
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Bei
so genannten Remote-Keyless-Entry-Systemen für Kraftfahrzeuge erfolgt eine
Entriegelung des Kraftfahrzeuges nicht mit einem mechanischen Schlüssel, sondern
mit einem elektronischen Schlüsselmedium
bzw. einem elektronischen Schlüssel,
beispielsweise in Gestalt eines Formteils, auf dem Betätigungselemente
angeordnet sind. Auf bzw. in dem Schlüsselmedium sind ein oder mehrere
integrierte Schaltkreise angeordnet, welche die Funktion des elektronischen
Schlüsselmediums
bzw. des elektronischen Schlüssels
realisieren.
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Als
Gegenstück
zu dem elektronischen Schlüssel
ist in dem Kraftfahrzeug eine so genannte Basisstation angeordnet,
die mit dem elektronischen Schlüssel
drahtlos kommuniziert bzw. Daten austauscht.
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Zur
Entriegelung bzw. Verriegelung des Kraftfahrzeugs wird durch einen
Benutzer ein zugehöriges
Bedienelement auf dem elektronischen Schlüssel betätigt, wodurch eine Datenübertragung
zwischen dem elektronischen Schlüssel
bzw. dessen integrierten Schaltkreisen und der Basisstation initiiert
wird. Wenn die zwischen der Basisstation und dem elektronischen
Schlüssel übertragenen
Informationen einem vereinbarten Protokoll entsprechen und den erwarteten
Inhalt aufweisen, wird das Kraftfahrzeug mit Hilfe der Basisstation entriegelt.
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Bei
so genannten Passive-Entry-/Passive-Go-Systemen oder Passive-Entry-Go(PEG)-Systemen
ist eine Betätigung
des Schlüssel
zur Verriegelung bzw. Entriegelung des Kraftfahrzeugs nicht mehr
notwendig. Der Benutzer des Kraftfahrzeugs muss lediglich ein elektronisches
Schlüsselmedium
mit sich führen,
beispielsweise in Form einer Karte.
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Wenn
der Benutzer einen Türgriff
des Kraftfahrzeugs betätigt,
wird dies im Kraftfahrzeug detektiert und an die Basisstation gemeldet.
Die Basisstation sendet daraufhin ein niederfrequentes Trägersignal,
beispielsweise mit einer Frequenz von 125 kHz, an das elektronische
Schlüsselmedium.
Zusätzlich
können
durch das niederfrequente Trägersignal
auch Daten zu dem elektronischen Schlüsselmedium übertragen werden.
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Zum
Empfangen des niederfrequenten Trägersignals weist das Schlüsselmedium
einen Antennenschaltkreis mit einer Antenne auf, beispielsweise
in Form einer Spule, wobei der Antennenschaltkreis eine Ausgangsgröße, beispielsweise
eine Spannung, erzeugt, die eine Funktion der Feldstärke und
eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises
ist.
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Ein
beispielhafte Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Feldstärkeinformation
bzw. zur Bestimmung der Feldstärke
ist in der deutschen Patentanmeldung
DE 101 59 551 A1 derselben Anmelderin beschrieben.
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Die
Ausgangsgröße wird
zur Bestimmung der Entfernung des Schlüsselmediums von der Basisstation bzw.
von einer oder mehreren Sendeantennen der Basisstation verwendet.
Wenn mehr als eine Sendeantenne an unterschiedlichen Positionen,
beispielsweise in einem vorderen Bereich und in einem hinteren Bereich,
des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind, kann auf Basis von zwei ermittelten
Entfernungen zu den jeweiligen Antennen durch eine so genannte Triangulation
auch die Position des Benutzer bzw. des Schlüsselmediums relativ zum Kraftfahrzeug
bestimmt werden.
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Zur
Bestimmung der Feldstärke
unabhängig
von einer Ausrichtung bzw. Lage des Schlüsselmediums bezüglich der
Sendeantenne der Basisstation sind Vorrichtungen bekannt, bei denen
drei jeweils zueinander senkrecht stehende Antennenspulen vorgesehen
sind. Die jeweiligen Feldstärken
der Antennenspulen werden zur Berechnung einer resultierenden Feldstärke vektoriell überlagert.
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Wenn
der Abstand zwischen der Antenne der Basisstation und der Antenne
des Antennenschaltkreises des Schlüsselmediums ermittelt wurde,
wird nachfolgend überprüft, ob der
ermittelte Abstand innerhalb eines erlaubten Toleranzbereichs liegt.
Ist dies der Fall, wird der Zutritt zum Kraftfahrzeug durch Entriegeln
aller oder nur bestimmter Schlösser
ermöglicht.
Die Entriegelung nur bestimmter Schlösser kann davon abhängig gemacht
werden, an welcher Position bezüglich
des Kraftfahrzeugs sich der Benutzer befindet.
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Wenn
der Benutzer nachfolgend in das Kraftfahrzeug einsteigt und einen
Startknopf zum Anlasen des Motors betätigt, wird in dem Schlüsselmedium
ebenfalls anhand einer Feldstärkemessung
eine Abstands- bzw. Positionsbestimmung
durchgeführt.
Wenn die Positionsbestim mung ergibt, dass sich der Bediener an der
zum Starten des Motors erforderlichen Position befindet, wird der
Motor gestartet.
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Neben
der Zutrittssteuerung und dem Motorstart gibt es noch zahlreiche
weitere Anwendungsszenarien, bei denen eine Abstandsmessung durchgeführt wird,
beispielsweise dann, wenn der Bediener aus dem Kraftfahrzeug aussteigt
und sich von diesem entfernt.
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Aus
dem oben Ausgeführten
wird deutlich, dass an die Abstands- bzw. Positionsmessung auf Basis der
Feldstärkebestimmung
des Trägersignals
in dem Schlüsselmedium
hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden.
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Wie
oben ausgeführt,
wird zur Abstandsmessung durch den Antennenschaltkreis eine Ausgangsgröße erzeugt,
beispielsweise eine Ausgangsspannung, die eine Funktion der Feldstärke und
eine Funktion der charakteristischen Parameter des Antennenschaltkreises
ist. Die charakteristischen Parameter eines jeweiligen Antennenschaltkreises
bilden die Toleranzen, Fertigungsstreuungen und weitere spezifische
Eigenschaften der Bauelemente des jeweiligen Antennenschaltkreises
ab.
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Da
jeder Antennenschaltkreis seine spezifischen, charakteristischen
Parameter aufweist, die in der Praxis stark voneinander abweichen
können,
ergeben sich bei unterschiedlichen Antennenschaltkreisen bei identischer
Feldstärke
unterschiedliche Ausgangsspannungen der Antennenschaltkreise. Wenn
zur Entfernungsberechnung beispielsweise eine nicht charakteristische
Tabelle in dem jeweiligen Schlüsselmedium
hinterlegt ist, in der eine Zuordnung von Ausgangsspannung zu Feldstärke abgespeichert
ist, kann dies zu deutlichen Fehlern bei der Entfernungsberechnung
führen.
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Um
diesem Problem Rechnung zu tragen, erfolgt üblicherweise ein aufwändiges Einmessen
der Schlüsselmedien
bzw. der Antennenschaltkreise während
eines Herstellungsprozesses. Hierzu kann beispielsweise von einer
Einmessstation eine bekannte Referenzfeldstärke von außen vorgegeben werden, die zur
Erzeugung einer Kalibriergröße auf dem
jeweiligen Schlüsselmedium
dient. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und berücksichtigt
lediglich die Parametersituation während des Einmessvorgangs.
Eine Veränderung der
charakteristischen Parameter durch Langzeiteinflüsse, Temperatur und veränderliche
Betriebsspannung kann durch das Einmessen bzw. Kalibrieren während des
Herstellungsprozesses nicht erfasst werden, d.h. die Entfernungsmessung
verschlechtert sich bei derartigen Langzeiteinflüssen entsprechend.
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Ein
weiteres wesentliches Problem besteht darin, dass der Antennenschaltkreis
bzw. seine Antenne in Abhängigkeit
von metallischen Gegenständen
in seiner Umgebung, beispielsweise einem Schlüsselbund, stärker bedämpft wird,
wodurch sich seine charakteristischen Parameter ebenfalls situationsbedingt
wesentlich verändern.
Auch diese Einflüsse
können
durch eine das Einmessen bzw. Kalibrieren während des Herstellungsprozesses
nicht erfasst werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zum Betrieb eines
Passive-Entry- und/oder eines Passive-Go-Systems sowie ein Passive-Entry-
und/oder Passive-Go-System zur Verfügung zu stellen, die eine präzise, langzeitstabile
Feldstärkemessung
ermöglichen,
ohne ein aufwändiges
Kalibrieren während eines
Herstellungsprozesses zu erfordern.
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Der
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb eines Passive-Entry-
und/oder eines Passive-Go-Systems nach Anspruch 1 und ein Passive-Entry-
und/oder Passive-Go-System nach Anspruch 12.
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Bei
dem Verfahren zum Betrieb eines Passive-Entry- und/oder eines Passive-Go-Systems
weist das System eine Basisstation zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug
und mindestens einen der Basisstation zugeordneten elektronischen
Schlüssel
auf, wobei durch die Basisstation ein Trägersignal erzeugt wird und
das Trägersignal
an mindestens einer Antenne eines Antennenschaltkreises des elektronischen
Schlüssels
empfangen wird. Der Antennenschaltkreis erzeugt eine Ausgangsgröße, die
eine Funktion der Feldstärke
des Trägersignals
und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises
ist. In dem elektronischen Schlüssel
wird anhand der Feldstärke
eine Entfernung zwischen der Basisstation und dem elektronischen
Schlüssel
ermittelt und Funktionen des Systems werden in Abhängigkeit
von der ermittelten Entfernung durchgeführt. Erfindungsgemäß erzeugt
der Antennenschaltkreis des elektronischen Schlüssels eine Ausgangsgröße, die
eine Funktion der Feldstärke
und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises
ist. Die charakteristischen Parameter eines jeweiligen Antennenschaltkreises
bilden die Toleranzen, Fertigungsstreuungen und weitere spezifische
Eigenschaften der Bauelemente des jeweiligen Antennenschaltkreises
ab. Erfindungsgemäß werden
in dem elektronischen Schlüssel
die charakteristischen Parameter anhand einer in dem elektronischen
Schlüssel
selbst erzeugten Referenzeingangsgröße gemessen, wobei der Antennenschaltkreis
während
der Messung der charakteristischen Parameter mit der Referenzeingangsgröße beaufschlagt
wird, d.h. die Referenzeingangsgröße dient während der Messung als Eingangsgröße des Antennenschaltkreises.
Anschließend
werden die charakteristischen Parameter abgespeichert. Nachfolgend
wird eine erste, feldbedingte Ausgangsgröße des Antennenschaltkreise
gemessen, wobei bei der Messung der ersten Ausgangsgröße der Antennenschaltkreis
nicht mit der Referenzeingangsgröße beaufschlagt wird.
Die Feldstärke
wird anhand der ersten Ausgangsgröße und der charakteristischen
Parameter bestimmt, wobei ein Einfluss der charakteristischen Parameter
auf die Feldstärke
kompen siert wird. Das Messen der charakteristischen Parameter kann
zyklisch erfolgen, wodurch eine fortlaufende Kalibrierung des Antennenschaltkreises
erfolgen kann. Das Erzeugen der schaltkreisinternen Referenzeingangsgröße ermöglicht eine
Kalibrierung auch ohne einen aufwändigen Einmessvorgang bei der
Herstellung. Da die Kalibrierung fortlaufend erfolgen kann, ist
eine präzise,
langzeitstabile Feldstärkemessung
möglich,
die auch veränderte
Umgebungsbedingungen, beispielsweise metallische Gegenstände in der
Umgebung des Schlüsselmediums
bzw. des Antennenschaltkreises berücksichtigt.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens umfassen die Funktionen des Systems
ein Entriegeln, ein Verriegeln und/oder ein Starten des Kraftfahrzeugs
in Abhängigkeit
von der ermittelten Entfernung.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Referenzeingangsgröße in Form
einer Referenzeingangsspannung und/oder eines Referenzeingangsstroms
mit vorgegebener Referenzfrequenz und Referenzamplitude erzeugt,
eine zweite Ausgangsgröße bei anliegender
Referenzeingangsgröße gemessen
und die charakteristischen Parameter aus der zweiten Ausgangsgröße ermittelt.
Die charakteristischen Parameter können identisch mit der zweiten
Ausgangsgröße sein
oder die zweite Ausgangsgröße kann
ein Maß für die charakteristischen
Parameter sein. Bevorzugt wird zur Bestimmung der Feldstärke der
Quotient aus der ersten, feldstärkebedingten
Ausgangsgröße und der
zweiten, referenzeingangsgrößenbedingten
Ausgangsgröße gebildet.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Referenzfrequenz gleich
einer Frequenz des Trägersignals
eingestellt. Auf diese Weise werden die charakteristischen Parameter
durch die Referenzgröße bei der maßgeblichen
Betriebsfrequenz ermittelt.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Referenzfrequenz aus
einer Frequenz des Trägersignals
abgeleitet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die
Kalibrierung durch die Referenzeingangsgröße auch bei der tatsächlichen
Betriebsfrequenz des Antennenschaltkreises stattfindet.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird aus der bestimmten Feldstärke ein
Abstand zwischen der Antenne und einer Sendeantenne eines Senders
des Trägersignals
ermittelt. Bevorzugt wird im Kontext der Abstandsermittlung die
Feldstärke
zusätzlich
an einer zweiten Antenne und an einer dritten Antenne des Antennenschaltkreises
bestimmt, wobei die Antennen jeweils zueinander senkrecht stehen
und aus den bestimmten Feldstärken
durch Überlagerung
ein Abstand zwischen den Antennen und einer Sendeantenne eines Senders
des Trägersignals
ermittelt wird. Durch vektorielle Überlagerung der pro Antenne
berechneten Feldstärken
ist es möglich,
den Abstand unabhängig
von einer Ausrichtung der Antennen bzw. des Schlüsselmediums bezüglich der
Sendeantenne zu berechnen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Antenne und eine Sendeantenne
eines Senders des Trägersignals
transformatorisch gekoppelt. Zur transformatorischen bzw. induktiven
Kopplung sei auf das Lehrbuch von Klaus Finkenzeller, RFID-Handbuch,
3. Aufl., HANSER, 2002, siehe insbesondere Kapitel 3.2.1 "induktive Kopplung", Seiten 42 bis 45,
verwiesen.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird durch den Antennenschaltkreis
ein Parallelschwingkreis oder einen Serienschwingkreis gebildet.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens liegt die Frequenz des Trägersignals
in einem Bereich von 50 KHz bis 150 KHz oder in einem Bereich von
5 MHz bis 25 MHz.
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Das
erfindungsgemäße Passive-Entry-
und/oder Passive-Go-System umfasst eine Basisstation zur Anordnung
in einem Kraftfahrzeug, mindestens einen elektronischen Schlüssel, welcher
der Basisstation zugeordnet ist und mindestens einen auf dem Schlüsselmedium
angeordneten Antennenschaltkreis mit mindestens einer Antenne und
einem Ausgangsanschluss, an dem eine Ausgangsgröße in Form einer Ausgangsspannung
und/oder eines Ausgangsstroms ansteht, die eine Funktion der Feldstärke und
eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises
ist. Erfindungsgemäß weist
der elektronische Schlüssel
auf: eine Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit
zur Erzeugung einer Referenzeingangsgröße in Form einer Referenzeingangsspannung
und/oder ein Referenzeingangsstroms mit bekannter Referenzfrequenz
und Referenzamplitude und eine mit dem Antennenschaltkreis und der
Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit
gekoppelte, ansteuerbare Umschalteinheit, welche den Antennenschaltkreis
ansteuerungszustandsabhängig
mit der Referenzeingangsgröße beaufschlagt
oder den Antennenschaltkreis von der Referenzeingangsgröße entkoppelt.
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In
einer Weiterbildung des Systems ist die Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit
ein Oszillator. Der Oszillator kann beispielsweise eine PLL, Quarze,
spannungsgesteuerte Oszillatoren usw. umfassen.
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In
einer Weiterbildung des Systems umfasst dieses eine Auswerteeinheit,
die derart ausgebildet ist, dass sie eine Ausgangsgröße bei nicht
angelegter Referenzeingangsgröße und eine
Ausgangsgröße bei angelegter
Referenzeingangsgröße zur Bestimmung
der Feldstärke
auswertet. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ein Mikrocontroller
mit geringem Strombedarf sein.
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In
einer Weiterbildung des Systems weist der Antennenschaltkreis eine
Antennenspule und einen Kondensator auf, die zusammen einen Parallelschwingkreis
bilden.
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In
einer Weiterbildung des Systems weist die Umschalteinheit einen
ersten Schalter auf, der zwischen einen Anschluss des Kondensators
und ein Bezugspotential, insbesondere Masse, eingeschleift ist,
und einen zweiten Schalter auf, der zwischen den Anschluss des Kondensators
und einen Anschluss der Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit eingeschleift
ist, an dem die Referenzeingangsgröße ansteht. Die Schalter werden
derart angesteuert, dass die Referenzeingangsgröße als eine Eingangsgröße des Antennenschaltkreises
dient, wenn die charakteristischen Parameter bestimmt werden, und
dass der Antennenschaltkreis von der Referenzeingangsgröße bzw.
der Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit
entkoppelt ist, wenn die Feldstärke
gemessen wird.
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In
einer Weiterbildung des Systems ist der Antennenschaltkreis für eine transformatorische
Kopplung mit einer Sendantenne eines Senders des Trägersignals
ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
detailliert beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:
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1 ein
Blockschaltbild eines Passive-Entry-/Passive-Go-Systems zur automatischen,
entfernungsabhängigen
Entriegelung und/oder Verriegelung und zum schlüssellosen Starten eines Kraftfahrzeug,
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2 ein
detailliertes Blockschaltbild eines Schlüsselmediums und einer Basisstation
von 1 und
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3 ein
detailliertes Blockschaltbild eines Antennenschaltkreises eines
LF-Sender/Empfängers
von 2.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild eines Passive-Entry-/Passive-Go(PEG)Systems
zur automatischen, entfernungsabhängigen Entriegelung und/oder
Verriegelung und zum schlüssellosen
Starten eines Kraftfahrzeugs 100.
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Das
PEG-System umfasst eine Basisstation 110, die in dem Kraftfahrzeug 100 angeordnet
ist, und mindestens ein der Basisstation 110 zugeordnetes,
kartenförmiges
elektronisches Schlüsselmedium 200.
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Wenn
ein nicht gezeigter Benutzer des Schlüsselmediums 200 einen
Türgriff 120 des
Kraftfahrzeugs 100 betätigt,
wird dies im Kraftfahrzeug 100 detektiert und an die Basisstation 110,
beispielsweise über
ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeugbussystem, gemeldet. Die Basisstation 110 sendet
daraufhin ein niederfrequentes (LF) Trägersignal mit einer Frequenz
von 125 kHz über
eine LF-Antenne der Basisstation 110 in Form einer Spule 114 an
das elektronische Schlüsselmedium 200.
Das Schlüsselmedium 200 sendet
nach dem Empfangen des LF-Trägersignals
und einer Entfernungsbestimmung anhand einer in dem Schlüsselmedium 200 berechneten
Feldstärke
des LF-Trägersignals
ein Signal mit Entriegelungsinformationen in einem UHF-Frequenzbereich
an die Basisstation 110, wenn die bestimmte bzw. berechnete
Entfernung in einem zulässigen Bereich
liegt. Das UHF-Signal wird an einer UHF-Antenne 115 der
Basisstation 110 empfangen, und wenn die von dem Schlüsselmedium 200 an
die Basisstation 110 übermittelten
Informationen protokollkonform sind, wird das Kraftfahrzeug 100 entriegelt,
und der Benutzer kann beispielsweise auf einem nicht gezeigten Fahrersitz
des Kraftfahrzeugs 100 Platz nehmen.
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Zum
Starten des Kraftfahrzeugs 100 drückt der Benutzer einen Startknopf,
woraufhin wiederum das niederfrequente LF-Trägersignal an das Schlüsselmedium 200 gesendet
wird. Nach einer erneuten Abstands- bzw. Positionsberechnung in dem Schlüsselmedium 200,
bei der überprüft wird,
ob sich der Benutzer auf einem nicht gezeigten Fahrersitz befindet,
wird von dem Schlüsselmedium 200,
wiederum über
den UHF-Kanal, eine
Startfreigabe an die Basisstation 110 gesendet.
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Die
UHF-Übertragung
basiert auf einer so genannten Fernfeldkopplung und die LF-Übertragung
auf einer induktiven bzw. transformatorischen Kopplung im Nahfeld.
Wenn mehr als eine Antenne 114 an unterschiedlichen Positionen
des Kraftfahrzeugs 100 angeordnet ist, kann neben einer
Abstandsmessung auch eine Positionsmessung relativ zum Kraftfahrzeug 100 durch
Bestimmung der jeweiligen Antennenfeldstärke, Berechnen des Abstands
zu der jeweiligen Antenne aus der Feldstärke und anschließende Triangulation durchgeführt werden.
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2 zeigt
ein detailliertes Blockschaltbild des Schlüsselmediums 200 und
der Basisstation 110 von 1.
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Das
Basisstation 110 umfasst einen LF-Sender/Empfänger 111 und
die an den LF-Sender/Empfänger 111 angeschlossene
LF-Antenne 114 in Form einer Spule, einen UHF-Sender/Empfänger 113 und
die an den UHF-Sender/Empfänger 113 angeschlossene
UHF-Antenne 115 und einen Mikroprozessor 112,
der mit dem LF-Sender/Empfänger 111 und
dem UHF-Sender/Empfänger 113 gekoppelt
ist und mit diesen bidirektional zu sendende und empfangene Daten
austauscht.
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Das
Schlüsselmedium 200 umfasst
einen LF-Sender/Empfänger 201 für einen
so genannten 3D-Empfang, an den Antennen 202, 203 und 204 in
Form von Spulen angeschlossen sind. Die Antennenspulen bzw. Symmetrieachsen
in Wicklungsrichtung der Antennenspulen 202, 203 und 204 stehen
jeweils senkrecht zueinander. Die pro Antenne berechneten Feldstärken können als
Komponenten eines 3-dimensionalen Feldstärke-Vektors aufgefasst werden,
dessen Betrag einen von der Entfernung des Schlüsselmediums 200 von der
Sendeantenne 114 der Basisstation 110 abhängigen Wert
aufweist, der jedoch unabhängig
von einer Ausrichtung des Schlüsselmediums 200 bezüglich der
Sendeantenne 114 ist.
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Zur
UHF-Übertragung
weist das Schlüsselmedium 200 einen
UHF-Sender/Empfänger 207 und
eine an den UHF-Sender/Empfänger 207 angeschlossene
UHF-Antenne 208 auf.
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Weiterhin
weist das Schlüsselmedium 200 einen
Mikroprozessor 205, der mit dem LF-Sender/Empfänger 201 und
dem UHF-Sender/Empfänger 207 gekoppelt
ist und mit diesen bidirektional zu sendende und empfangene Daten
austauscht, und eine Batterie bzw. einen Akkumulator 206 zur
Energieversorgung auf. Der LF-Sender/Empfänger 201 gibt
zusätzlich
ein jeweiliges den Antennen 202, 203 und 204 zugehöriges Feldstärkesignal
an den Mikroprozessor 205 aus.
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Im
einfachsten Fall erfolgt eine LF-Datenübertragung unidirektional von
der Basisstation 110 zu dem Schlüsselmedium 200, wobei
für diesen
Fall die Einheit 111 lediglich ein Sender und die Einheit 201 lediglich ein
Empfänger
ist. Entsprechend kann die UHF-Datenübertragung unidirektional von
dem Schlüsselmedium 200 zu
der Basisstation 110 erfolgen, wobei für diesen Fall die Einheit 207 lediglich
ein Sender und die Einheit 113 lediglich ein Empfänger ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
erfolgt sowohl die LF-Datenübertragung
als auch die UHF-Datenübertragung
bidirektional.
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3 zeigt
ein detailliertes Blockschaltbild eines Antennenschaltkreises 214 des
LF-Sender/Empfängers 201 von 2.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
ist in 3 nur derjenige Antennenschaltkreis gezeigt, welcher
der Antenne 202 zugeordnet ist. Den Antennen 203 und 204 sind
entsprechende, nicht gezeigte Antennenschaltkreises zugeordnet.
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Der
Antennenschaltkreis 214 umfasst die Antenne bzw. die Antennenspule 202,
einen Widerstand 212, der einen parasitären Kupferwiderstand der Antennenspule 202 abbildet,
und einen Kondensator 213. Die Antennenspule 202 und
der Kondensator 213 bilden einen Parallelschwingkreis.
An einem Ausgangsanschluss N1 steht eine Ausgangsgröße in Form
eine Ausgangsspannung UAF oder UAI an, die in einem Normalbetrieb
eine Funktion der Feldstärke
des LF-Trägersignals
und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises 214 ist.
Die Ausgangsspannung UAF bzw. UAI dient als analoge Eingangsgröße für einen
nicht gezeigten A/D-Wandler des Mikroprozessors 205 und
wird in diesem digitalisiert weiter verarbeitet.
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Nachfolgend
wird der Betrieb der in
3 gezeigten Anordnung detailliert
beschrieben. In einer Sendeeinheit
217 der Basisstation
110,
die nur ausschnittsweise dargestellt ist, wir über eine Treiberstufe
209 ein Signal
mit ein Frequenz f0 bereitgestellt. Das Signal wird einem Reihenschwingkreis
mit der Sendeantennenspule
114, einem Widerstand
210 und
einem Kondensator
211 zugeführt. Durch ein in der Sendeantennenspule
114 erzeugtes
magnetisches Trägerfeld
wird in der Antennenspule
202 eine Spannung UQ induziert.
Die nachfolgenden Formeln beschreiben mathematisch die Kopplung
zwischen den Antennenspulen
114 und
202. Sie entstammen
dem Lehrbuch Klaus Finkenzeller, RFID-Handbuch, 3. Aufl., HANSER, 2002, siehe
insbesondere Seite 72, 73 und 77.
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In
Gleichung (1) bezeichnet UQ eine in der Spule 202 induzierte
Spannung, ω0 ist die der Sendefrequenz f0 zugeordnete
Kreisfrequenz, k ist ein Kopplungsfaktor, L1 ist eine Induktivität der Antennenspule 114, L2
ist eine Induktivität
der Antennenspule 202 und i1 ist
ein Strom durch die sendende Antennenspule 114.
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Die
in der Antennenspule
202 induzierte Spannung UQ erzeugt
folgende Ausgangsspannung UAF:
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Die
Gleichung (2) enthält
gegenüber
der Formel in Finkenzeller die vereinfachende Annahme, dass ein
RL = ∞,
wodurch ein Term mit RL im Nenner entfällt. R2 bezeichnet einen Widerstandswert
des Widerstandes 212 und C2 bezeichnet eine Kapazität des Kondensators 213.
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Aus
Gleichung (2) ergibt sich unmittelbar, dass die durch das Feld des
Trägesignals
bewirkte Ausgangsspannung UAF vom Wert R2 des Widerstands 212,
der Induktivität
L2 der Empfangsspule 202 und der Kapazität C2 des
Kondensators 213 bestimmt wird. Diese Werte bilden folglich
die charakteristischen Parameter des Antennenschaltkreises 214.
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Zur
Bestimmung der charakteristischen Parameter bzw. eines Maßes für die charakteristischen
Parameter oder einer Kenngröße für die charakteristischen
Parameter, welche deren ausgangsspannungsrelevanten Eigenschaften
abbildet, wird der Antennenschaltkreis 214 mit einer Referenzeingangsgröße beaufschlagt. Die
Referenzeingangsgröße wird
in Form einer Referenzeingangsspannung UI durch eine Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit
in Form eines Oszillators 216 erzeugt, der Teil des LF-Sender/Empfängers 201 von 2 ist.
Die Frequenz der Referenzeingangsspannung UI ist gleich der Frequenz
f0 des Trägersignals.
Die Amplitude der Referenzeingangsspannung UI wird mit einem vorbekannten
Wert präzise
erzeugt.
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Zur
Messung der charakteristischen Parameter wird eine durch den Mikroprozessor 205 angesteuerte Umschalteinheit 215 mit
einem ersten Schalter 218 und einem zweiten Schalter 219 derart
angesteuert, dass der Schalter 218 geöffnet und der Schalter 219 geschlossen
wird. Dies bewirkt, dass der Antennenschaltkreis 214 mit
der Referenzeingangsgröße UI als
simulierte Eingangsspannung beaufschlagt wird. Das durch die Sendeeinheit 217 erzeugte
Signal ist während
der Messung der charakteristischen Parameter abgeschaltet, d.h.
UQ = 0. Die Umschalteinheit 215 ist Teil des LF-Sender/Empfängers 201 von 2.
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Eine
sich am Ausgangsanschluss N1 des Antennenschaltkreises
214 einstellende
Ausgangsspannung UAF kann anhand folgender Gleichung berechnet werden:
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Wenn
ein Quotient aus der ersten Ausgangsgröße UAF und der zweiten Ausgangsgröße UAI gebildet wird,
ergibt sich folgende Gleichung:
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Wird
Gleichung (4) nach UQ aufgelöst
ergibt sich:
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Anhand
der berechneten Spannung UQ kann mit der nachfolgenden Gleichung
(6) ein Abstand x der Sendeantenne bzw. der Sendespule
114 von
der Empfangsantenne bzw. Empfangsspule
202 berechnet werden:
wobei
r
L1 ein Radius der Sendeantennenspule
114 und
r
L2 ein Radius der Empfangsantennenspule
202 ist. Gleichung
(6) gilt für
Luftspulen als Sendeantenne
114 und Empfangsantenne
202.
Wenn keine Luftspulen verwendet werden, kann Gleichung (6) entsprechend
angepasst werden. Hierzu ist der von der Entfernung x abhängige Kopplungsfaktor
(durch Umformen von Gleichung (1))
in Gleichung (6) durch einen
für einen
verwendeten Spulentyp gültigen
Kopplungsfaktor zu ersetzen. Hierzu sei wiederum beispielsweise
auf Finkenzeller, siehe insbesondere Seite 108, oder das Datenbuch:
ATMEL, data book 2001, ICs for wireless control systems, Seite 326
ff. verwiesen.
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Zusammenfassend
wird die Feldstärke
bzw. der Abstand folgendermaßen
bestimmt:
In einem ersten Schritt wird die Umschalteinheit 215 durch
den Mikroprozessor 205 derart angesteuert, dass der Antennenschaltkreis 214 mit
der Referenzeingangsgröße UI beaufschlagt
wird. Die Referenzeingangsgröße UI kann
dauern aktiv sein oder nur für
den Messvorgang aktiviert werden. Hierbei sollte bekannt sein oder sichergestellt
werden, dass das Trägersignal
nicht aktiv ist.
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Anschließend wird
die sich einstellende Ausgangsspannung UAI gemessen und abgespeichert.
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Nach
dem Abspeichern der durch Anschalten der Referenzspannungsquelle 216 erzeugten
Ausgangsspannung UAI wird die Umschalteinheit 215 durch
den Mikroprozessor 205 derart angesteuert, dass der Antennenschaltkreis 214 von
der Referenzeingangsgröße UI entkoppelt
wird. Die sich nun einstellende Ausgangsspannung UAF wird durch
das Feld des Trägersignals
an der Antennenspule 202 bewirkt.
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Die
tatsächliche
Feldstärke,
d.h. diejenige Feldstärke,
bei der ein Einfluss der charakteristischen Parameter kompensiert
ist, wird durch Bilden des Verhältnisses
von UAF und UAI und multiplizieren mit der bekannten Spannung UI
berechnet.
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Zur
endgültigen
Abstandsmessung werden die jeweiligen, wie oben beschrieben ermittelten
Feldstärken
der Antennen 202, 203 und 204 zur Berechnung
einer Gesamtfeldstärke,
die unabhängig
von der Ausrichtung ist, überlagert.
Aus der durch herkömmliche
Vektorrechnung berechneten Gesamtfeldstärke wird schließlich der
Abstand anhand der Gleichung (6) berechnet.
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Die
Messung der Spannung UAI kann zyklisch oder durch bestimmte Ereignisse
getriggert gemessen werden, wodurch eine Veränderung der charakteristischen
Parameter des Antennenschaltkreises, beispielsweise aufgrund einer
Temperaturdrift, berücksichtigt
wird.
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Es
versteht sich, dass anstatt der Referenzeingangsgröße in Form
der Spannung UI auch ein Strom verwendet werden kann. Hierzu muss
in der Umschalteinheit 215 während der Messung der charakteristischen Parameter
der Schalter 218 geschlossen bleiben und eine Referenzstromquelle
speist ihren Strom an einem Verbindungsknoten zwischen dem Widerstand 212 und
dem Kondensator 213 ein.
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In
dem LF-Sender/Empfänger 201 von 2 können neben
dem Antennenschaltkreis 214 noch weitere Schaltungsteile
vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein integrierter Schaltkreis
vorgesehen sein, der zur Kopplung mit dem Antennenschaltkreis 214 ausgebildet
ist. Der integrierte Schaltkreis kann dann beispielsweise die Auswertung
der Ausgangsspannung UAF bzw. UAI anstatt des Mikroprozessors 205 übernehmen.
In anderen Worten erfolgt die vollständige Auswertung der Ausgangsspannungen
UAI und UAF in dem integrierten Schaltkreis, wodurch die Auswertung
in dem Mikroprozessor 205 vereinfacht wird, da dort kein spezifisches
Wissen mehr erforderlich ist. Weiterhin können die Umschalteinheit 215 und
die Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit 216 ebenfalls
Teil des integrierten Schaltkreises sein.
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Die
gezeigten Ausführungsformen
ermöglichen
eine präzise,
langzeitstabile Feldstärke-
bzw. Abstandsmessung, ohne dass ein aufwändiges Kalibrieren während eines
Herstellungsprozesses erforderlich ist.
