DE102006020422B4

DE102006020422B4 - Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System sowie zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102006020422B4
Application number: DE102006020422A
Authority: DE
Inventors: Helmut Moser; Daniel Moser
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: US8525672B2; DE102006020422A1; WO2007121996A1; US20070257771A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Passive-Entry- und/oder eines Passive-Go-Systems, wobei das System eine Basisstation (110) zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug (100) und mindestens einen der Basisstation (110) zugeordneten elektronischen Schlüssel (200) aufweist, und
– durch die Basisstation (110) ein Trägersignal erzeugt wird,
– das Trägersignal an mindestens einer Antenne (202, 203, 204) eines Antennenschaltkreises (214) des elektronischen Schlüssels (200) empfangen wird, wobei der Antennenschaltkreis (214) eine Ausgangsgröße (UAF) erzeugt, die eine Funktion der Feldstärke des Trägersignals und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises (214) ist,
– in dem elektronischen Schlüssel (200) anhand der Feldstärke eine Entfernung zwischen der Basisstation (110) und dem elektronischen Schlüssel (200) ermittelt wird und
– Funktionen des Systems in Abhängigkeit von der ermittelten Entfernung durchgeführt werden,
gekennzeichnet durch die in dem elektronischen Schlüssel ausgeführten Schritte:
– Erzeugen einer Referenzeingangsgröße (UI),
– Beaufschlagen des Antennenschaltkreises (14) mit der Referenzeingangsgröße (UI),...

Description

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.
Bei so genannten Remote-Keyless-Entry-Systemen für Kraftfahrzeuge erfolgt eine Entriegelung des Kraftfahrzeugs 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.
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.
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.
Bei so genannten Passive-Entry-/Passive-Go-Systemen oder Passive-Entry-Go(PEG)-Systemen ist eine Betätigung des Schlüssels 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.
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 125kHz, an das elektronische Schlüsselmedium. Zusätzlich können durch das niederfrequente Trägersignal auch Daten zu dem elektronischen Schlüsselmedium übertragen werden.
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.
Eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Gewinnung von Feldstärkeinformation bzw. zur Bestimmung der Feldstärke ist in der deutschen Patentanmeldung DE 101 59 551 A1 derselben Anmelderin beschrieben.
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 Benutzers bzw. des Schlüsselmediums relativ zum Kraftfahrzeug bestimmt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein weiteres wesentliches Problem besteht darin, dass der Antennenschaltkreis bzw. seine Antenne in Abhängigkeit von metallischen Gegenständen in seiner Umgebung, beispielsweise einem Schlüsselbund, stärker bedampft wird, wodurch sich seine charakteristischen Parameter ebenfalls situationsbedingt wesentlich verändern. Auch diese Einflüsse können durch das Einmessen bzw. Kalibrieren während des Herstellungsprozesses nicht erfasst werden.
Gattungsgemäße Verfahren zum Betrieb von Passive-Entry- und/oder Passive-Go-Systemen sind beispielsweise in der DE 199 41 351 A1 , der DE 102 21 427 A1 , der DE 100 46 897 A1 , der DE 100 32 936 A1 und der WO 01/89887 A1 beschrieben.
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.
Die 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.
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 Antennenschaltkreises 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird durch den Antennenschaltkreis ein Parallelschwingkreis oder ein Serienschwingkreis gebildet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens liegt die Frequenz des Trägersignals in einem Bereich von 50KHz bis 150KHz oder in einem Bereich von 5MHz bis 25MHz.
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 eines 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.
In einer Weiterbildung des Systems ist die Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit ein Oszillator. Der Oszillator kann beispielsweise eine PLL, Quarze, spannungsgesteuerte Oszillatoren usw. umfassen.
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.
In einer Weiterbildung des Systems weist der Antennenschaltkreis eine Antennenspule und einen Kondensator auf, die zusammen einen Parallelschwingkreis bilden.
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.
In einer Weiterbildung des Systems ist der Antennenschaltkreis für eine transformatorische Kopplung mit einer Sendantenne eines Senders des Trägersignals ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:
1 ein Blockschaltbild eines Passive-Entry-/Passive-Go-Systems zur automatischen, entfernungsabhängigen Entriegelung und/oder Verriegelung und zum schlüssellosen Starten eines Kraftfahrzeugs,
2 ein detailliertes Blockschaltbild eines Schlüsselmediums und einer Basisstation von 1 und
3 ein detailliertes Blockschaltbild eines Antennenschaltkreises eines LF-Sender/Empfängers von 2.
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.
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.
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 125kHz 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.
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.
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.
2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Schlüsselmediums 200 und der Basisstation 110 von 1.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Antennenschaltkreise zugeordnet.
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.
Nachfolgend wird der Betrieb der in 3 gezeigten Anordnung detailliert beschrieben. In einer Sendeeinheit 217 der Basisstation 110, die nur ausschnittsweise dargestellt ist, wird über eine Treiberstufe 209 ein Signal mit einer 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. UQ = ω0·k√L1·L2·i1 (1)
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, 12 ist eine Induktivität der Antennenspule 202 und i₁ ist ein Strom durch die sendende Antennenspule 114.
Die in der Antennenspule 202 induzierte Spannung UQ erzeugt folgende Ausgangsspannung UAF:
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.
Aus Gleichung (2) ergibt sich unmittelbar, dass die durch das Feld des Trägersignals bewirkte Ausgangsspannung UAF vom Wert R2 des Widerstands 212, der Induktivität 12 der Empfangsspule 202 und der Kapazität C2 des Kondensators 213 bestimmt wird. Diese Werte bilden folglich die charakteristischen Parameter des Antennenschaltkreises 214.
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.
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.
Eine sich am Ausgangsanschluss N1 des Antennenschaltkreises 214 einstellende Ausgangsspannung UAF kann anhand folgender Gleichung berechnet werden:
Wenn ein Quotient aus der ersten Ausgangsgröße UAF und der zweiten Ausgangsgröße UAI gebildet wird, ergibt sich folgende Gleichung:
Wird Gleichung (4) nach UQ aufgelöst ergibt sich:
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.
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 dauernd aktiv sein oder nur für den Messvorgang aktiviert werden. Hierbei sollte bekannt sein oder sichergestellt werden, dass das Trägersignal nicht aktiv ist.
Anschließend wird die sich einstellende Ausgangsspannung UAI gemessen und abgespeichert.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine präzise, langzeitstabile Feldstärke- bzw. Abstandsmessung, ohne dass ein aufwändiges Kalibrieren während eines Herstellungsprozesses erforderlich ist.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Passive-Entry- und/oder eines Passive-Go-Systems, wobei das System eine Basisstation (110) zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug (100) und mindestens einen der Basisstation (110) zugeordneten elektronischen Schlüssel (200) aufweist, und – durch die Basisstation (110) ein Trägersignal erzeugt wird, – das Trägersignal an mindestens einer Antenne (202, 203, 204) eines Antennenschaltkreises (214) des elektronischen Schlüssels (200) empfangen wird, wobei der Antennenschaltkreis (214) eine Ausgangsgröße (UAF) erzeugt, die eine Funktion der Feldstärke des Trägersignals und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises (214) ist, – in dem elektronischen Schlüssel (200) anhand der Feldstärke eine Entfernung zwischen der Basisstation (110) und dem elektronischen Schlüssel (200) ermittelt wird und – Funktionen des Systems in Abhängigkeit von der ermittelten Entfernung durchgeführt werden, gekennzeichnet durch die in dem elektronischen Schlüssel ausgeführten Schritte: – Erzeugen einer Referenzeingangsgröße (UI), – Beaufschlagen des Antennenschaltkreises (14) mit der Referenzeingangsgröße (UI), – Messen der charakteristischen Parameter, während der Antennenschaltkreis mit der Referenzeingangsgröße (UI) beaufschlagt wird, – Abspeichern der charakteristischen Parameter, – Messen einer ersten Ausgangsgröße (UAF) des Antennenschaltkreises (214) und – Bestimmen der Feldstärke anhand der ersten Ausgangsgröße (UAF) und der charakteristischen Parameter, wobei ein Einfluss der charakteristischen Parameter auf die Feldstärke kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen des Systems ein Entriegeln, ein Verriegeln und/oder ein Starten des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit von der ermittelten Entfernung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Referenzeingangsgröße in Form einer Referenzeingangsspannung (UI) und/oder eines Referenzeingangsstroms mit vorgegebener Referenzfrequenz und Referenzamplitude erzeugt wird, – eine zweite Ausgangsgröße (UAI) bei anliegender Referenzeingangsgröße (UI) gemessen wird und – die charakteristischen Parameter aus der zweiten Ausgangsgröße (UAI) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Feldstärke der Quotient aus der ersten Ausgangsgröße (UAF) und der zweiten Ausgangsgröße (UAI) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz gleich einer Frequenz (f0) des Trägersignals eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz aus einer Frequenz (f0) des Trägersignals abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der bestimmten Feldstärke ein Abstand zwischen der Antenne (202) und einer Sendeantenne (114) eines Senders des Trägersignals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldstärke an einer zweiten Antenne (203) und an einer dritten Antenne (204) bestimmt wird, wobei die Antennen (202, 203, 204) jeweils zueinander senkrecht stehen und aus den bestimmten Feldstärken ein Abstand zwischen den Antennen (202, 203, 204) und einer Sendeantenne (114) eines Senders des Trägersignals ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (202) und eine Sendeantenne (114) eines Senders des Trägersignals transformatorisch gekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Antennenschaltkreis (214) ein Parallelschwingkreis oder einen Serienschwingkreis gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f0) des Trägersignals in einem Bereich von 50KHz bis 150KHz oder in einem Bereich von 5MHz bis 25MHz liegt.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System mit: – einer Basisstation (110) zur Anordnung in einem Kraftfahrzeug (100), mindestens einem elektronischen Schlüssel (200), welcher der Basisstation (110) zugeordnet ist, und – mindestens einem auf dem Schlüsselmedium angeordneten Antennenschaltkreis (214) mit mindestens einer Antenne (202, 203, 204) und einem Ausgangsanschluss (N1), an dem eine Ausgangsgröße in Form einer Ausgangsspannung (UAF) und/oder eines Ausgangsstroms ansteht, die eine Funktion der Feldstärke und eine Funktion von charakteristischen Parametern des Antennenschaltkreises (214) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Schlüssel (200) aufweist: – eine Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit (216) zur Erzeugung einer Referenzeingangsgröße in Form einer Referenzeingangsspannung (UI) und/oder eines Referenzeingangsstroms mit bekannter Referenzfrequenz und Referenzamplitude und – eine mit dem Antennenschaltkreis (214) und der Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit (216) gekoppelte, ansteuerbare Umschalteinheit (215), welche den Antennenschaltkreis (214) ansteuerungszustandsabhängig mit der Referenzeingangsgröße (UI) beaufschlagt oder den Antennenschaltkreis von der Referenzeingangsgröße (UI) entkoppelt.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit ein Oszillator (216) ist.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schlüsselmedium eine Auswerteeinheit (205) umfasst, die derart ausgebildet ist, dass sie eine Ausgangsgröße (UAF) bei nicht angelegter Referenzein gangsgröße (UI) und eine Ausgangsgröße (UAI) bei angelegter Referenzeingangsgröße (UI) zur Bestimmung der Feldstärke auswertet.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenschaltkreis (214) eine Antennenspule (202) und einen Kondensator (213) aufweist, die zusammen einen Parallelschwingkreis bilden.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinheit einen ersten Schalter (218) aufweist, der zwischen einen Anschluss des Kondensators (213) und ein Bezugspotential eingeschleift ist, und einen zweiten Schalter (219) aufweist, der zwischen den Anschluss des Kondensators (213) und einen Anschluss der Referenzeingangsgrößenerzeugungseinheit (216) eingeschleift ist, an dem die Referenzeingangsgröße (UI) ansteht.
Passive-Entry- und/oder Passive-Go-System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenschaltkreis für eine transformatorische Kopplung mit einer Sendantenne (114) eines Senders des Trägersignals ausgebildet ist.