EP1899936A1

EP1899936A1 - Dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un referentiel et procede de commande d'un tel dispositif

Info

Publication number: EP1899936A1
Application number: EP06778712A
Authority: EP
Inventors: Franck Vial; Marc Beranger
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-03-19
Also published as: FR2887980A1; CN101213583A; WO2007003766A8; JP2008545132A; WO2007003766A1; FR2887980B1; US20080246467A1; JP5142993B2; CN100561538C

Abstract

L'invention concerne un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel, dans lequel un capteur magnétique (2) lié à l'objet mesure un champ associé au référentiel afin de générer des signaux de mesure à la fréquence de rotation de l'objet. Le capteur forme en outre une antenne de réception (2) d'une onde électromagnétique. L'invention propose également un procédé de commande d'un dispositif de comptage.

Description

Dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel et procédé de commande d'un tel dispositif

L'invention concerne un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel et un procédé de commande d'un tel dispositif.

On connaît, par exemple selon le document US 3 353 487, le principe selon lequel on peut compter les rotations d'un objet dans Ie champ magnétique terrestre en plaçant un capteur de champ magnétique (comprenant par exemple un enroulement) sur l'objet, le capteur générant ainsi un signal alternatif dont le nombre d'alternances est représentatif du nombre de rotations de l'objet.

Dans le document US 3 353487, ce principe est appliqué à la mesure de la distance parcourue par un projectile.

Depuis lors, ce principe a été appliqué à d'autres domaines, dont le comptage du nombre de rotations d'un pneumatique, afin par exemple de surveiller son état d'usure.

Une telle application aux pneumatiques est par exemple décrite dans le document DE 101 17 920.

Dans les applications de ce type, il est souhaitable de disposer le capteur magnétique au sein d'un dispositif autonome, interrogeable à distance lorsque l'on souhaite connaître le nombre de tours décomptés à un moment donné par le dispositif.

Dans ce but, le document DE 101 17 920 précité propose qu'il soit possible de déclencher manuellement une procédure d'échange de données en approchant un aimant du capteur.

Ce document envisage même d'envoyer des signaux de données à faible débit vers le dispositif autonome, au moyen d'un codage fréquentiel (des exemples de codage à 20 Hz ou 30 Hz sont mentionnés) ou d'un codage en amplitude.

Ces solutions paraissent toutefois délicates à mettre en œuvre puisque les signaux de données mentionnés risqueraient immanquablement d'être confondus avec les variations de champ magnétique mesurées par le capteur lors de ses rotations solidaires de l'objet dans le champ magnétique terrestre.

C'est probablement la raison pour laquelle on utilise plus fréquemment dans la littérature la transmission de données au moyen d'ondes électromagnétiques, souvent dans la gamme radiofréquence (voir par exemple le document US 6 543 279), voire même dans le domaine des micro-ondes (voir par exemple le document US 5 562 787).

Dans ce contexte, l'invention propose un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel, dans lequel un capteur magnétique lié à l'objet mesure un champ associé au référentiel afin de générer des signaux de mesure à la fréquence de rotation de l'objet, caractérisé en ce que le capteur forme en outre une antenne de réception d'une onde électromagnétique.

Ainsi le capteur formant antenne permet à la fois la mesure du champ magnétique et la réception de signaux radiofréquence, tels que par exemple une information de réveil du contrôleur du dispositif et/ou de déclenchement de l'émission à destination d'un dispositif extérieur d'une information obtenue par le comptage.

Le capteur formant antenne est par exemple réalisé par une bobine, c'est-à-dire un enroulement comprenant une spire ou une pluralité de spires. Cette solution est particulièrement pratique.

Le capteur formant antenne est par exemple couplé à des moyens de réception de signaux radiofréquence.

On peut alors interposer des premiers moyens de filtrage entre le capteur formant antenne et les moyens de réception, par exemple de manière à limiter la transmission aux moyens de réception des seuls signaux utiles à cet effet. Dans ce but, les premiers moyens de filtrage peuvent présenter en pratique une impédance élevée aux fréquences de mesure du capteur par rapport à leur impédance en réception.

On évite ainsi l'interférence des signaux de mesure dans les moyens de réception.

Le capteur formant antenne peut également être couplé à des moyens de comptage des alternances dans les signaux de mesure.

On peut alors interposer des seconds moyens de filtrage entre le capteur formant antenne et les moyens de comptage, notamment pour limiter la transmission aux moyens de comptage des seuls signaux de mesure.

Dans ce but, les seconds moyens de filtrage peuvent présenter en pratique une impédance élevée aux fréquences de réception de l'antenne par rapport à leur impédance de mesure. On évite ainsi l'interférence des signaux radiofréquences dans les moyens de comptage.

Le dispositif peut comprendre des moyens d'émission d'une information numérique obtenue à partir des signaux mesurés par le capteur, par exemple une information liée directement ou indirectement au nombre d'alternances dans les signaux mesurés.

Un dispositif extérieur peut ainsi avoir accès à distance au nombre de rotations effectuées par l'objet.

Les moyens d'émission sont par exemple configurés pour émettre ladite information numérique à réception d'une information de déclenchement au moyen de l'antenne de réception, ce qui constitue une solution de dialogue intéressante entre le dispositif de comptage et le dispositif extérieur.

L'invention propose également un procédé de commande d'un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel, caractérisé par les étapes suivantes : - réception de signaux de mesure à la fréquence de rotation de l'objet au moyen d'un capteur magnétique lié à l'objet ;

- détermination du nombre d'alternances dans lesdits signaux de mesure ;

- réception d'un signal de déclenchement radiofréquence au moyen du capteur magnétique utilisé comme antenne électromagnétique ;

- émission d'une information représentative dudit nombre d'alternances. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma général d'un dispositif de comptage selon l'invention ;

- la figure 2 représente une première partie d'un exemple détaillé de circuit électrique pour un dispositif de comptage selon l'invention ; - la figure 3 représente le comportement fréquentiel global d'une partie du circuit représenté à la figure 2 ;

- la figure 4 représente une seconde partie de l'exemple détaillé de la figure 2.

La figure 1 représente les éléments essentiels d'un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel réalisé conformément aux enseignements de l'invention.

Il s'agit par exemple d'un dispositif autonome embarqué dans un pneumatique dans le but de compter le nombre de tours de roues effectués par le pneumatique afin d'avoir une indication sur son état d'usure. Le dispositif de comptage représenté à la figure 1 comprend un capteur magnétique 2 réalisé en pratique par une bobine, c'est-à-dire un enroulement conducteur formé d'une spire ou d'une pluralité de spires.

Le signal généré par le capteur 2 est transmis d'une part à un compteur

8, à travers un filtre basse fréquence 4 (dénommé dans la suite filtre BF) puis éventuellement un circuit de mise en forme du signal, et d'autre part à des bornes de réception d'un microcontrôleur 10 à travers un filtre haute fréquence 6 comme décrit en détail dans la suite.

Le filtre BF 4 est conçu pour ne transmettre du capteur magnétique 2 au compteur 8 que les signaux représentatifs du mouvement à mesurer (c'est-à- dire ici les signaux générés, à la fréquence de rotation de l'objet, par la rotation du capteur magnétique 2 dans le champ magnétique terrestre).

Pour ce faire, le filtre BF 4 présente une impédance élevée en dehors de la plage de fréquences qui correspond aux signaux de mesure.

Par exemple, dans le cas évoqué ici de la mesure des rotations d'un pneumatique, vues les vitesses de rotation courantes des roues de véhicules, les signaux générés par la rotation dans le champ magnétique terrestre ont des fréquences variant entre 1 Hz et quelques dizaines de Hz.

On prévoit donc, dans ce cas, une impédance élevée du filtre BF 4 à partir d'une fréquence supérieure à 100 Hz, par exemple à partir de 1 kHz.

Le compteur 8, qui sera décrit plus en détail dans la suite, a pour fonction de compter le nombre d'alternances dans le signal généré par le capteur magnétique 2 du fait de sa rotation dans le champ magnétique terrestre, c'est-à- dire dans le signal transmis par le filtre BF 4.

Le compteur 8 décompte par exemple un nombre prédéterminé d'alternances (par exemple 4096 alternances) dans le signal qu'il reçoit du filtre BF 4, puis transmet une information de dépassement à un microcontrôleur 10 lorsque le nombre prédéterminé est atteint, et reprend alors le décompte du nombre prédéterminé d'alternances.

Le microcontrôleur 10 incrémente un registre interne à chaque réception de l'information de dépassement et mémorise ainsi le nombre cumulé d'informations de dépassement reçues, qui représente donc (à un facteur multiplicatif près) le nombre d'alternances dans le signal issu du filtre BF 4. On a ainsi facilement accès au nombre de rotations du dispositif de comptage (et de manière équivalente du capteur magnétique 2 qui lui est solidaire) dans le champ magnétique terrestre.

On pourra sur ce sujet se référer à la demande de brevet WO 2004/110793 qui décrit également certains des aspects qui viennent d'être évoqués.

Comme déjà indiqué, la bobine 2 est par ailleurs connectée à un filtre haute fréquence 6 (dénommé dans la suite filtre HF). Ce filtre HF 6 est conçu de manière à présenter une impédance élevée dans les domaines fréquentiels des signaux utilisés pour la mesure (ici pour le comptage des rotations), c'est-à-dire les signaux transmis de la bobine 2 au compteur 8 par le filtre BF 4, de telle sorte que le filtre HF 6 ne transmet de la bobine 2 aux bornes de réception du microcontrôleur 10 que les signaux de fréquence supérieure à une fréquence donnée (par exemple de l'ordre de 1 kHz), ou dans une bande de fréquence dont la limite inférieure correspond à cette fréquence donnée. Le filtre BF 4 et le filtre HF 6 ont donc des bandes passantes distinctes

(par exemple de part et d'autre de 1 kHz), ce qui permet, à partir de la bobine 2, de ne transmettre que les signaux dans une première bande de fréquence au compteur 8 et que les signaux dans une seconde bande de fréquence aux bornes de réception de microcontrôleur 10.

Dans la seconde bande de fréquence (située ici au-dessus de 1 kHz, par exemple autour de 50 kHz avec une bande passante de quelques kHz, par exemple 5 kHz, ce qui correspond à un coefficient de surtension de 10), la bobine 2 se comporte comme une antenne électromagnétique.

On permet ainsi la réception, par la bobine 2 et à travers le filtre HF 6, d'un signal radiofréquence par le microcontrôleur 10 au niveau de ses bornes de réception.

On peut ainsi transmettre des informations au dispositif de comptage (c'est-à-dire en pratique à son microcontrôleur 10) par télécommunication au moyen d'ondes électromagnétiques (par exemple sur une porteuse à 50 kHz dans l'exemple mentionné ci-dessus).

Il s'agit notamment d'une information de réveil transmise par un dispositif extérieur (typiquement un dispositif du système électronique du véhicule ou autre dispositif de surveillance de l'état d'usure des pneumatiques) ; cette information de réveil indique au dispositif de comptage (en pratique à son microcontrôleur 10) que ce dernier doit émettre une information représentative du mouvement mesuré cumulé (c'est-à-dire du nombre de rotations effectuées) comme décrit ci-après. Pour ce faire, le dispositif de comptage de la figure 1 comprend également un émetteur 12 en liaison électrique avec le microcontrôleur 10 et une antenne d'émission 14, réalisée par exemple elle aussi sous forme d'un enroulement conducteur.

Ainsi, lorsqu'il reçoit une information de réveil au moyen de la bobine 2 faisant fonction d'antenne électromagnétique de réception, mais éventuellement aussi dans d'autres phases de son fonctionnement, le microcontrôleur 10 transmet à l'émetteur 12 des informations à émettre (telles que le nombre cumulé des informations de dépassement reçues, qui comme déjà indiqué est représentatif du nombre de rotations effectuées par le pneumatique). L'émetteur 12 transforme alors ces informations (par exemple reçues par celui-ci sous forme d'un train binaire) en signaux électriques à émettre sous forme d'une onde électromagnétique par l'antenne d'émission 14, par exemple sur une porteuse à une fréquence d'émission (qui vaut 433,92 MHz dans le mode de réalisation décrit ici).

En résumé, le microcontrôleur 10 reçoit des informations de mesure générées par la bobine 2 aux fréquences où celle-ci se comporte comme un capteur magnétique (informations de mesure traitées par le compteur 8), et des informations en réception reçues par la bobine 2 dans les fréquences où elle se comporte comme une antenne électromagnétique.

L'utilisation du filtre BF 4 et du filtre HF6 permet de limiter la transmission des signaux, respectivement au compteur et aux bornes de réception du microcontrôleur 10, aux seules plages de fréquence utiles dans chaque cas, c'est-à-dire respectivement les fréquences où apparaissent les signaux ou informations de mesure (en général en dessous de 100 Hz) et les fréquences de réception des signaux radiofréquences, c'est-à-dire typiquement entre 10 kHz et 1 MHz.

Grâce à cette construction, la bobine 2 joue simultanément les rôles de capteur magnétique et d'antenne électromagnétique, sans que cela n'implique toutefois de problème pour le fonctionnement du circuit (tel que par exemple d'éventuels problèmes d'interférence entre ces deux fonctions).

On va à présent décrire en détail un mode de réalisation possible d'un dispositif de comptage selon l'invention, dont les éléments principaux viennent d'être décrits en référence à la figure 1.

La figure 2 représente une première partie du circuit électrique du dispositif de comptage, qui comprend notamment la bobine 2, le filtre BF 4 et le filtre HF 6 de la figure 1. Comme cela sera décrit dans la suite, la première partie du circuit électrique représentée à la figure 2 permet de réaliser d'autres fonctions que celles qui viennent d'être mentionnées, et notamment une mise en forme des signaux de mesure comme illustré en figure 1.

La bobine 2 est représentée sur le schéma électrique de la figure 2 par une inductance L1.

La bobine 2 est réalisée par l'enroulement de plusieurs milliers de spires (par exemple entre 1000 et 10 000 spires, ici 3000 spires) ayant chacune une surface de l'ordre de 10 mm² et réalisées en fil de cuivre isolé, ce qui lui confère une inductance de quelques dizaines de mH. On obtient ainsi une surface équivalente de l'ordre de quelques dm², voire de quelques dizaines de dm² (par exemple comprise entre 1 dm² et 1 m²).

Avantageusement, les spires peuvent être bobinées sur un noyau à forte perméabilité magnétique, ce qui permet une amélioration de la sensibilité qui correspond à une multiplication de la surface équivalente, par exemple par un facteur compris entre 1 et 10, ici un facteur 6.

Ce dimensionnement de la bobine lui permet de constituer à basse fréquence un capteur magnétique avec une sensibilité de l'ordre de 1 V/Tesla à 1

Hz, qui génère ainsi à ses bornes une tension de l'ordre de 50 μV à 1 Hz lors de ses rotations dans le champ magnétique terrestre (en prenant pour ce dernier une valeur caractéristique de 50 μT).

Le dimensionnement de la bobine 2 lui permet également, du fait de sa capacité parasite C_parasit_e qui vaut environ 40 pF, de constituer une antenne électromagnétique sensible en particulier autour de sa fréquence de résonance

/o = ~-jLl.C_paraslle , soïï ici environ 100 kHz.

LTt Comme visible sur la figure 2, les bornes de la bobine 2 (représentées par l'inductance L1) sont pour une première part reliées par l'association en série d'une résistance R1 et d'une capacité C1 qui forment un filtre passe-bas F1 avec une fréquence de coupure de 9 Hz. Ce filtre passe-bas F1 permet déjà la transmission des seuls signaux de mesure aux étages ultérieurs du circuit électronique décrits ci-après, même si d'autres filtres viennent renforcer cet effet comme également expliqué ci-dessous.

En effet, dans l'application considérée ici d'une mesure du nombre de rotations des roues de poids lourd (dont la vitesse maximum est de l'ordre 30 m/s et la circonférence parcourue par le capteur de l'ordre de 3 m), les signaux mesurés sont inférieurs à 10 Hz.

Après filtrage par le filtre passe-bas F1 , les signaux (aux bornes du condensateur C1 ) sont appliqués à un étage de mise en forme comprenant par exemple un amplificateur A, un filtre passe-bande F et un comparateur U1. L'amplificateur peut avoir par exemple un gain de 100. Comme bien visible sur la figure 3 qui représente le comportement fréquentiel de l'ensemble des éléments qui viennent d'être décrits, la réponse fréquentielle globale RFG de l'association de l'inductance L1 , du filtre passe-bas F1 et de l'étage de mise en forme est située principalement entre 0,9 Hz et 9 Hz, qui constitue la plage de fréquence caractéristique des signaux à mesurer. (Ces fréquences correspondent, pour un poids lourd, à des vitesses comprises entre environ 10 km/h et 100 km/h.) On remarque en outre que cette réponse fréquentielle globale RFG est pour l'essentiel plate sur cette plage de fréquence, ce qui simplifie grandement le traitement ultérieur des signaux générés en sortie.

Les signaux amplifiés par l'amplificateur A et transmis par le filtre passe-bande F sont appliqués au comparateur U1 qui réalise une fonction de détection des alternances du signal généré par la bobine 2 du fait de ses rotations dans le champ magnétique terrestre, après traitement comme décrit ci-dessus. Ce comparateur U1 génère ainsi des impulsions de comptage en correspondance avec chacune des alternances du signal généré par la bobine 2.

Le circuit décrit plus haut (et notamment l'amplificateur A) permet de générer en sortie du filtre passe-bande F1 un signal qui permet le déclenchement du comparateur ; celui-ci délivre alors un signal logique, par exemple avec une amplitude de 3 V, compatible avec des circuits numériques.

Les bornes de la bobine 2 (représentées sur le circuit de la figure 2 par l'inductance L1) sont reliées pour une seconde part au moyen d'un condensateur C2 (par exemple de 100 pF) qui abaisse la fréquence de résonance de la bobine 2 (qui a une fréquence de résonance propre de l'ordre de 100 kHz comme vu ci- dessus) à environ 50 kHz. L'utilisation du condensateur C2 permet également de stabiliser la fréquence de résonance de l'ensemble à cette valeur de 50 kHz, la capacité parasite de la bobine 2 (d'environ 40 pF comme vu plus haut) ne permettant pas en pratique d'obtenir une valeur suffisamment stable de la fréquence de résonance.

Le signal aux bornes de l'ensemble inductance L1 - condensateur C2 est transmis à un transistor T par l'intermédiaire d'un condensateur C3 qui permet de ne laisser passer en direction du transistor T que les signaux à des fréquences supérieures à une valeur déterminée. Ainsi, le condensateur C3 forme un filtre passe-haut avec une fréquence de coupure inférieure ici à 50 kHz et qui forme le filtre HF de la figure 1.

Ainsi, lorsque l'amplitude crête des signaux hautes fréquences (ici à 50 kHz) aux bornes de la bobine dépasse 0,6 V (grâce à l'amplification générée naturellement par la résonance de l'ensemble à cette fréquence), le transistor T devient conducteur et sa tension émetteur-collecteur passe de 3 V à 0 V, ce qui constitue une information de réveil transmise au microcontrôleur 10 comme décrit dans la suite.

Le dispositif de comptage est alimenté par une pile électrique, par exemple une pile délivrant une tension VCC de 3 V disponible sous la référence BR1632A.

Une seconde partie du circuit électrique du dispositif de comptage est représentée à la figure 4.

L'information de comptage émise par le comparateur U1 (après filtrage passe-bas et traitement des signaux de la bobine 2) sous forme de signal logique est soumise à la borne d'entrée d'horloge ("C//<") d'un circuit diviseur U2, réalisé par exemple en technologie HCMOS, tel que par exemple un circuit 74HC4040. On utilise par exemple la sortie Q12 de ce diviseur sur laquelle est généré un changement d'état après réception de 2¹² fronts montants (ou descendants) de comptage sur l'entrée d'horloge, c'est-à-dire toutes les 4096 fronts (qui représentent 4096 tours de roue du véhicule).

Le signal délivré par la sortie Q12 (dénommé ci-dessus information de dépassement) est appliquée à une borne GPO du microcontrôleur 10 (référencé

MC1 en figure 4), ce qui provoque comme déjà expliqué le réveil du microcontrôleur et l'incrémentation d'un registre interne de celui-ci qui mémorise le nombre cumulé de dépassements reçus.

Le microcontrôleur 10 (ou MC1 en figure 4, par exemple un PIC12C509 produit par MICROCHIP) reçoit sur une seconde borne GP1 l'information de réveil formée par le transistor T lorsque l'antenne formée par la bobine 2 reçoit un signal à 50 kHz et le transmet au transistor T via le filtre passe-haut (ou filtre HF) constitué par le condensateur C3.

Comme déjà expliqué de manière générale ci-dessus, à réception de cette impulsion de réveil, le microcontrôleur MC1 émet sur une troisième borne

GP4 une information à émettre, par exemple sous forme d'une trame codée selon un codage de type "Manchester", qui contient notamment le nombre cumulé d'informations de dépassement reçues tel qu'il est mémorisé dans le registre interne du microcontrôleur 10 comme indiqué ci-dessus.

La trame (ou information à émettre) est appliquée comme déjà indiqué à l'entrée d'un émetteur, par exemple un émetteur du commerce : AUREL : TX- SAW LA, RF solutions : AM-TX1-433, ou QUASAR : A.M. - QAMT2.

Le mode de réalisation qui vient d'être décrit, et notamment les valeurs numériques indiquées, ne constituent qu'un exemple possible de mise en œuvre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel, dans lequel un capteur magnétique (2) lié à l'objet mesure un champ associé au référentiel afin de générer des signaux de mesure à la fréquence de rotation de l'objet, caractérisé en ce que le capteur (2) forme en outre une antenne de réception (2) d'une onde électromagnétique.

2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le capteur formant antenne est réalisé par une bobine (2).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur formant antenne (2) est couplé à des moyens de réception (10) de signaux radiofréquence.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que des premiers moyens de filtrage (6) sont interposés entre le capteur formant antenne (2) et les moyens de réception (10).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers moyens de filtrage (6) présentent une impédance élevée aux fréquences de mesure du capteur (2) par rapport à leur impédance en réception.

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le capteur formant antenne (2) est couplé à des moyens de comptage (8, 10) des alternances dans les signaux de mesure.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que des seconds moyens de filtrage (4) sont interposés entre le capteur formant antenne

(2) et les moyens de comptage (8, 10).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les seconds moyens de filtrage (4) présentent une impédance élevée aux fréquences de réception de l'antenne (2) par rapport à leur impédance de mesure.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'émission (10, 12) d'une information numérique obtenue à partir des signaux mesurés par le capteur (2).

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'émission (10, 12) sont configurés pour émettre ladite information numérique à réception d'une information de déclenchement au moyen de l'antenne de réception (2).

11. Procédé de commande d'un dispositif de comptage des rotations d'un objet dans un référentiel, caractérisé par les étapes suivantes : - réception de signaux de mesure à la fréquence de rotation de l'objet au moyen d'un capteur magnétique (2) lié à l'objet ;

- détermination du nombre d'alternances dans lesdits signaux de mesure ;

- réception d'un signal de déclenchement radiofréquence au moyen du capteur magnétique utilisé comme antenne électromagnétique (2) ;

- émission d'une information représentative dudit nombre d'alternances.