DE19648531C1 - Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von mindestens einem Meßwert aus bewegten Tei­ len, insbesondere zur Messung des Reifendrucks in Kraft­ fahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung geht aus der DE 37 29 420 A1 hervor. Diese bekannte Vorrichtung zur Überwachung des Rei­ fendrucks im Kraftfahrzeug weist eine gemeinsam ausgebilde­ te Sende- und Empfangsspule auf, um den Platzbedarf zu ver­ ringern.

Die Erfindung befaßt sich damit, den Druck und andere Meßwerte aus dem rotierendem Reifen zu ermitteln, in ein elek­ trisches Signal umzusetzen und anzuzeigen oder z. B. für Druck­ verlust-Warnmeldungen auszuwerten. Die Ermittlung des Drucks selber und die Umsetzung in eine elektronische Größe sind nach dem Stand der Technik völlig unproblematisch, geeignete Sensoren auf mechanischer oder kapazitiver Basis sowie integrierte Lösungen auf Halbleiterbasis sind hinlänglich bekannt.

Das eigentliche Problem beim Fahrzeug stellt die Datenüber­ mittlung und die Stromversorgung des Drucksensors da, weil die hohe und stark schwankende Drehzahl des-Reifens zusammen-mit den Lenk- und Fahrwerksbewegungen und der starken Verschmutzung eine drahtgebundene Übertragung, z. B. über Schleifkontakte, wie auch eine optische oder akustische Übertragung, verbietet.

In hochwertigen Fahrzeugen werden daher Systeme verwendet, die auf induktiver bzw. Funkbasis arbeiten. Zu diesem Zweck wird von einem Generator eine Speisefrequenz erzeugt, die mittels einer Spule bzw. Antenne in der Nähe des Reifens bereitgestellt wird. Diese kann dann von einem Schwingkreis oder anderem Resonator absorbiert oder verstärkt werden, wobei der Resonator von einem Druckgeber beeinflußt wird. Diese Beeinflussung der Grundfrequenz kann dann gemessen und ausgewertet werden. Eine gute Beschreibung hierzu findet sich in der EP 0 450 653 A2, welche in ihrem Anspruch große Nähe zum Verfahren der induktiven Zugsicherung aufweist. Ein vergleichbares System wurde von der Firma Porsche entwickelt.

Bei all diesen Verfahren ist jedoch die große Störanfälligkeit von Nachteil, die inbesondere aus der Verwendung derselben Frequenz zur Versorgung des Meßwertgebers und zur Messung resultiert. Hierdurch können auch solche Dämpfungen oder Ver­ stärkungen der Meßfrequenz als Meßwert fehlinterpretiert werden, die nicht vom Meßwertgeber verursacht sind.

Es wäre daher naheliegend, eine aktive Schaltung in dem Meßwert­ geber unterzubringen, die von einer Speisefrequenz versorgt wird und auf einer zweiten Frequenz antwortet. Leider ist die Ver­ sorgung durch die schnelle Drehung des Rades über einen akzep­ tablen Zeitraum jedoch nur dann sichergestellt, wenn die Ent­ fernung zwischen Meßwertgeber und Versorgungsspule bzw. Antenne nur wenig schwankt. Dies erzwingt die Positionierung des Meß­ wertgebers in der Nähe der Achse und damit die Verwendung einer Spezialfelge, die ihrerseits hohe Kosten verursacht.

Eine mögliche Lösung des Problems wurde in der Patentanmeldung DE 196 21 354.1 vom selben Erfinder vorgeschlagen, hierbei besteht jedoch noch die Problematik der Verwendung mehrerer Frequenz­ bänder.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, daß der Meßwert zuverlässig auch bei stark schwankenden Übertragungsverhältnissen und ohne eigene Stromversorgung des Meßwertgebers übermittelt wird und dabei möglichst mit einem Frequenzband auszukommen ist.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst, deren Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels (Zeichnung 1) erläutert wird:

Das System besteht aus einem im Reifen befindlichen Meßwertgeber ohne eigene Stromversorgung sowie einem fest im Fahrzeug mon­ tierten Meßsystem bestehend aus einer oder mehreren Antennen und einer oder mehreren Elektronikbaugruppen, die in ihrer Gesamtheit nachfolgend unter dem Begriff Steuergerät zusammengefaßt werden.

In dem Steuergerät befindet sich mindestens ein Hochfrequenz­ generator G1 für ein Trägersignal f1, vorzugsweise im sogenannten Mikrowellen-Frequenzbereich um 2,4 GHz, welches von mindestens einem niederfrequenteren Signal f2, erzeugt durch den Generator G2, vorzugsweise im Frequenzbereich von 1 bis 30 MHz, moduliert wird. Insbesondere f2 kann in seiner Frequenz (z. B. durch einen Mikrocomputerbefehl) verändert werden, oder es werden mehrere Frequenzen f2 (f2.1 bis f2.n) gleichzeitig aufmoduliert (z. B. durch Rückwärts-Fouriertransformation oder FFT). Die Modulation findet in diesem Beispiel im Modulator MO1 statt, kann alternativ aber auch direkt im Hochfrequenzgenerator (G1) durchgeführt werden. Das resultierende Signal wird verstärkt und in der Nähe des Reifens über eine Antenne A1 abgestrahlt.

Die Modulation ist vorzugsweise eine Amplituden- oder I/Q- Modulation. Gemäß den für solche Modulationen geltenden Gleichungen entstehen im Spektrum links und rechts neben der Trägerfrequenz weitere Seitenbänder, konkret z. B. bei der Amplitudenmodulation bei f1+f2 und f1-f2. Im Falle der Verwendung mehrerer Frequenzen f2 ergibt sich so durch deren Summe ein Seitenbandspektrum, dies ist in der Zeichnung ebenfalls beispiel­ haft dargestellt.

In dem Reifen befindet sich ein Meßwertgeber MG1 (Transponder), bestehend aus mindestens einer Antenne A2, mindestens einer Diode D1, vorzugsweise als Schottky- oder Detektordiode, sowie wenigstens eines im Bereich des Signals f2 frequenzselektiven Absorberelementes mit Absorptionsmaximum bei der Frequenz f3, welches durch den Reifendruck beeinflußt wird. Hierbei kann es sich z. B. um einen Quarz oder ein Keramikfilter handeln, die Beeinflussung verstimmt vorzugsweise dessen Resonanzfrequenz f3 oder die Güte und damit den Grad der Absorption. Ein Keramik­ filter wird sinnvollerweise mit einem Widerstand abgeschlossen, in diesem wird die aufgenommene zur Absorption bestimmte Energie in Wärme umgesetzt. In der Zeichnung wurde beispielhaft das Absorberelement aus einem Filter FI1 zusammen mit einem Wider­ stand R1 gebildet.

Zur Beeinflussung des Absorberelementes kann z. B. ein kapazitiver Drucksensor verwendet werden, natürlich wäre aber auch eine Abschaltung des gesamten Meßwertgebers bei Unterdruck oder anderen zu übertragenden Ereignissen mittels Schalter denkbar. Wichtig ist, daß sich das Absorberelement bezüglich dritter Frequenzen hochohmig verhält. Der Drucksensor bildet im Zeich­ nungsbeispiel mit dem Filter FI1 eine Einheit.

Ein Quarz wird durch diesen kapazitiven Drucksensor gezogen und dadurch in seiner Resonanzfrequenz beeinflußt.

Bei einem Keramikfilter bietet sich die Veränderung des Abschluß­ widerstandes oder anderer Last- oder Blindwiderstände durch den Meßwert an, hierdurch wird die Filtercharakteristik meßbar be­ einflußt.

Selbstverständlich können auch ein oder mehrere gewöhnliche Filter z. B. bestehend aus L/C-Schwingkreisen oder R/C-Pässen, die durch resistive, induktive oder kapazitive Sensoren beeinflußt werden, im Absorber verwendet werden.

Der Meßwertgeber hat nun einen besonderen Einfluß auf das in der Nähe des Reifens befindliche elektromagnetische Feld:
Die von einem oder vorzugsweise mehreren Generatoren erzeugte modulierte Speisefrequenz wird über eine Antenne in der Nähe des Reifens abgestrahlt. Diese wird nun von dem Meßwertgeber aufge­ nommen und mittels des nichtlinearen Elementes, z. B. durch Gleichrichtung in der Diode, demoduliert. Hierdurch wird im Meß­ wertgeber die Modulationsfrequenz f2 zurückgewonnen. Sofern diese nun mit der Resonanzfrequenz f3 des Absorptionselementes überein­ stimmt, wird sie belastet und ihre Energie z. B. in Wärme umge­ setzt.

Hierdurch wird aber aus dem Feld selektiv Energie entnommen, und zwar z. B. bei einer Amplitudenmodulation ausschließlich bei diesen Seitenbandfrequenzen, die zum Träger etwa den Abstand f3 haben. Sofern die Modulationsfrequenz f2 nun in die Nähe der Frequenz f3 gerät, entsteht eine starke Dämpfung der Seitenbänder f1+f2 und f1-f2. Diese Dämpfung kann nun vom Steuergerät gemessen werden und aus dieser somit auf den Reifendruck und andere Meß­ werte geschlossen werden. Hingegen bleiben andere Seitenband­ frequenzen und der Träger von der Dämpfung weitgehend unbeein­ flußt.

Diese Unterscheidung zu einer breitbandigen Dämpfung z. B. durch Wassereinfluß macht eine sichere Erkennung des Meßwertgeber­ signals durch das Steuergerät und die Herausrechnung von Störungen möglich und stellt den wesentlichen Vorteil der Erfindung gegenüber bisherigen Systemen dar. In der Zeichnung wurde das gedämpfte Spektrum mehrerer f2 Frequenzen beispielhaft an der Empfangsantenne A3 angedeutet.

Die Messung der Dämpfung erfolgt vorzugsweise mittels eines Empfängers E1 im Steuergerät mit Antenne A3 in der Nähe des Reifens, hierbei dann auch die Sendeantenne mitverwendet werden. Nach Analyse, z. B. durch Demodulation, und Umrechnung im Empfänger steht dann die Druckinformation als Signal s1 bereit. Der Empfänger ist vorzugsweise ein Überlagerungsempfänger (Superhet), durch Verstimmen des Überlagerungsoszillators können mehrere Frequenzen nacheinander abgefragt werden.

Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall die Unterbringung der ersten Eingangsverstärker- und/oder Mischerstufe in miniaturi­ sierter Bauweise in der Antenne selber, ein Mischer kann hierbei vom Sendesignal oder auch mit einer weiteren Frequenz hoch­ frequenzmäßig (lokales Oszillatorsignal) und mittels Gleich­ spannungsentkopplung auch mit Versorgungsspannung über ein gemeinsames Antennenkabel versorgt werden. Als wesentlicher Vorteil ergibt sich hier die frequenzmäßige Trennung von Sende- und Empfangssignal und damit die Möglichkeit der Verwendung nur eines (Koaxial-)Antennenkabels für beide Signale und für die Stromversorgung von Vorverstärker und Mischer.

Eine andere Ausführung der Erfindung detektiert das Feld mittels eines an einem Richtkoppler in der Antennenzuleitung ange­ schlossenen Empfängers, durch den Richtkoppler wird eine Trennung in hin- und rücklaufende Wellen vorgenommen, durch Auswertung beider Signale des Richtkopplers kann auf den Grad der Absorption geschlossen werden.

Bei gleichzeitiger Modulation mit mehreren Frequenzen, sei es durch Rückwärts-Fouriertransformation, Pseudo-Zufallsrauschen und/oder I/Q-Modulation kann das veränderte elektromagnetische Leistungsdichte-Spektrum z. B. durch Digitalisierung mittels A/D-Wandler und Weiterverarbeitung mittels Digital Down Converter und/oder Signalprozessor gleichzeitig auf mehreren Seitenband-Frequenzen abgefragt werden. Die Phaseninformation kann zur Aus­ wertung der Frequenz-Ziehrichtung des Absorptionselementes und damit zur schnellen Ermittlung der Mittenfrequenz (für maximale Absorption) f3 des Absorptionselementes verwendet werden, hier kommt vorzugsweise das Newtonsche Approximationsverfahren zum Einsatz. Daneben ist auch die Auswertung des Frequenzspektrums durch neuronale Netze denkbar. Vorteilhaft sind hier zeitge­ steuerte Gewichtungsnetzwerke, wie in der DE 41 05 669 C2 desselben Erfinders beschrieben.

Die Trägerfrequenz f1 sollte mittels eines stabilen Oszillators mit geringem Phasenrauschen erzeugt werden. Durch PLL-Regelung der Frequenz f1 kann mittels Mikrocomputerbefehls festgestellten Störungen und Frequenzbelegungen durch andere Nutzer, z. B. andere Fahrzeuge, gezielt ausgewichen werden, ohne daß dadurch der Kontakt zum Meßwertgeber verloren geht, da es für diesen bei nicht allzu großen Änderungen von f1 nur auf die Modulation ankommt. Der Empfänger muß natürlich ebenfalls entsprechend umgestimmt werden. Diese Möglichkeit des Frequenzwechsels im Störungsfall stellt einen weiteren wesentlichen Vorteil der Erfindung dar.

Die Störungen können über denselben Empfänger E1 erkannt werden der auch die Dämpfungsauswertung vornimmt. Daneben kennen sich gleichartige Systeme über gezielte Modulation zusätzlicher Informationen über die Frequenzbelegung verständigen, aber auch andere Informationen miteinander austauschen. Denkbar wäre z. B. die Mitbenutzung der Baugruppen mit oder ohne Zusatzantenne zur gegenseitigen Kollisionswarnung von Fahrzeugen.

Die Erzeugung der Modulationsfrequenz(en) f2 erfolgt sinnvoller­ weise mittels eines D/A-Wandlers durch direkte digitale Synthese. Sehr reine Frequenzen können mittels eines sogenannten Phasen­ akkumulators mit nachfolgender Sinus/Cosinus-Tabelle erzeugt werden. Durch gefilterte Pseudo-Zufalls-Phasensprünge kann dabei die Signalbreite im Spektrum nach Belieben auch ggf. mittels Mikrocomputerbefehls verändert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die Erkennung des Seitenband-Absorptionsmaximums mittels digitaler Phasenregelschleife mit Digital filtern und Nutzung des Filterergebnisses zur Änderung des Phaseninkrements des Phasen­ akkumulators der direkten digitalen Synthese.

Theoretisch ist auch ein Einsatz einer Winkelmodulation (Phasen- oder Frequenzmodulation) des Signals f1 durch f2 möglich, da auch hier bei n×(f1+f2) und n×(f1-f2) Seitenbandfrequenzen auf­ treten, jedoch ist deren Stärke u. a. durch komplizierte Bessel­ funktionen bestimmt und daher der Einfluß der Absorption schwerer zu ermitteln. Hingegen könnte durch Einsatz eines passiven FM-Detektors im Meßwertgeber, z. B. Ratiodetektor, die Fehlersicher­ heit weiter verbessert werden.

Zur Versorgung weiterer aktiver Komponenten im Meßwertgeber kann auch ein Teil das Trägersignals durch Gleichrichtung in eine Gleichspannung umgewandelt werden, ebenso kann auch die Dämpfung durch Belastung des Trägers ausgewertet werden.

Die gesamte Steuerung des Systems erfolgt vorzugsweise über einen Mikrocomputer oder Signalprozessor, der auch die weitere Ver­ arbeitung, Umrechnung und Auswertung der Meßwerte übernehmen kann.

Sehr vorteilhaft ist aus Kostengründen auch die Integration des Meßwertgebers bestehend aus dem (Druck-)sensor zusammen mit dem nichtlinearen elektronischen Bauteil und dem Resonanzelement auf einem hybriden oder integrierten Schaltkreis, wobei anstelle eines Keramikfilters oder Quarzes z. B. auch ein Oberflächen­ wellenresonator (SAW) oder integrierte L/C Schwingkreise Ver­ wendung finden können, die direkt durch den Meßwert abgestimmt bzw. geschaltet werden.

Des weiteren kann im Meßwertgeber auch ein weiteres Referenz- Absorptionselement untergebracht werden, das unabhängig vom Meß­ wert immer konstant auf einer von der Meßfrequenz f3 unabhängigen Seitenbandfrequenz ein Signal absorbiert. Hierdurch können Frequenzverschiebungen z. B. durch den Dopplereffekt etc. im Empfänger wieder herausgerechnet werden. Weitere Meßfrequenzen f2 können z. B. zur Übertragung weiterer Meßwerte wie Reifen­ temperatur oder strukturelle Beanspruchung (Kräfte) verwendet werden.

Natürlich kann durch Relais- oder elektronische Umschaltung von mehreren Antennen auf eine Elektronikeinheit dieselbe Elektronik­ einheit im Multiplexverfahren zum Messen an unterschiedlichen Reifen oder auch am Reserverad verwendet werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Messung des Reifendrucks beschränkt, sondern kann generell zur zuverlässigen Ermittlung von Meßwerten im Bereich schnell bewegter Teile ver­ wendet werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von mindestens einem Meßwert aus bewegten Teilen, insbesondere zur Messung (zu messender Wert) des Reifendrucks in Kraftfahrzeugen, bestehend aus

• - einem Meßwertgeber, insbesondere Druckmesser im Rei­ fen, und
• - einem Meßsystem, welches seinerseits aus mindestens einer Antenne in der Nähe des Meßwertgebers sowie aus mindestens einer Elektronikbaugruppe besteht,
• - wobei im Meßsystem mindestens eine modulierte Speise­ frequenz erzeugt und an den Meßwertgeber abgestrahlt und von diesem empfangen wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Meßwertgeber (MG1) aus mindestens einem frequenzabhängig arbeitenden Absorber gekoppelt mit mindestens einem nichtlinearen elektronischen Bauteil besteht und der Absorber in seiner Frequenz-/Absorptionscharakteristik vom zu messenden Wert beeinflußt wird,
• - durch Demodulation oder Mischung in dem nichtli­ nearen elektronischen Bauteil des Meßwertgebers (MG1) die Modulation wieder herausgebildet (zurückgewon­ nen) wird,
• - diese rückgewonnene Modulation von dem Absorber aufgenommen wird, woraufhin die rückgewonnene Modu­ lation, die in den Seitenbändern des Trägers enthal­ ten ist, wobei der Träger auch gedämpft oder auch ganz unterdrückt sein kann, in dem Absorber abhängig vom Meßwert charakteristisch gedämpft wird,
• - diese Dämpfung durch Vermessung des elektromag­ netischen Feldes mittels eines Empfängers oder durch Überwachung der vor- und rücklaufenden oder stehenden Wellen in der Speiseleitung der mindestens einen Sen­ deantenne im Meßsystem ausgewertet wird und
• - diese ermittelte Dämpfung als Meßwertinformation zur weiteren Verwendung zur Verfügung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Modulation eine Amplitudenmodulation oder eine mit Phasen- und Frequenzmodulation gemischte Amplitudenmodulation (I/Q-Modulation) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mehrere Frequenzen im analogen, aus der Vermessung des elektromagnetischen Felds stammenden Signals durch Analog/Digital-Wandlung und nachfolgende digitale Signalverarbeitung, insbesondere Verarbei­ tung durch Fourieranalyse oder durch digitale Mischung und nachfolgende Tiefpaßfilterung (Digital Down Con­ verter), empfangen und ausgewertet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder gleichzeitig mehrere Modulationsfrequen­ zen durch Digital/Analog-Wandlung eines digitalen Da­ tenstroms, welcher insbesondere durch direkte digitale Synthese mittels Phasenakkumulator oder durch Rück­ wärts-Fouriertransformation gebildet wird, erzeugt und abgestrahlt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaximum des Absorbers im Meßwert­ geber (MG1) durch eine (vorzugsweise digitale) Phasen­ regelschleife ermittelt wird, welche einen (vorzugs­ weise digitalen) Phasenvergleicher, ein (vorzugs­ weise digitales) Filter und einen frequenzvariablen Oszillator (VCO) aufweist, welcher vorzugsweise durch einen digitalen Phasenakkumulator realisiert ist, des­ sen Inkrement durch den Filterausgangswert gesteuert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaximum des Absorbers im Meßwert­ geber (MG1) durch ein künstlich, insbesondere durch Pseudozufallsrauschen, verbreitertes diskretes Modu­ lationssignal mittels sukzessiver Approximation, ins­ besondere Newton-Approximation, ermittelt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare elektronische Bauteil im Meß­ wertgeber (MG1) eine Schottkydiode oder Detektordi­ ode ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorber im Meßwertgeber (MG1) ein Quarz- oder Keramikfilter oder Schwingkreisfilter mit Abschlußwi­ derstand Verwendung findet, wobei der Filter induktiv, kapazitiv oder durch Belastung, jeweils abhängig vom Meßwert, verstimmt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Verstärkung und/oder Frequenzumsetzung des Meßsignals, welches aus der Vermessung des elek­ tromagnetischen Feldes resultiert, bereits in der Antennenbaugruppe vorgenommen wird, wodurch ein zwei­ tes Kabel für das Meßsignal eingespart werden kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung Rechenwerke oder Mikrocomputer ver­ wendet werden und die in den Patentansprüchen be­ schriebenen Funktionen ganz oder teilweise mittels eines Computerprogramms (Software) realisiert werden.