JP2004500760A - Relaxation oscillator for transponder - Google Patents

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Abstract

物体(たとえば、タイヤ104)における1つまたは複数のパラメータ(たとえば、温度、圧力)を測定して、データ流(図3C、図4B)を外部の読取器/質問器(106)へ送ることできるトランスポンダ用弛張発振器。このトランスポンダは通常受動モードで動作して、それの電力(Vxx、Vcc、Vdd)をアンテナ装置(210、410)により受けられたRF質問信号から取り出すが、電池で電力を供給される能動モードでも動作できる。トランスポンダは、測定値と、較正データと、プログラム可能なトリム設定(436b)と、トランスポンダID等を保存するためのメモリ(238、438)を含んでいる。測定指示値(N、N)が、固定されている時間ウィンドウ(t、t、t)中に測定信号(Fosc’)のカウンティング発振を備えている。測定信号は、測定コンデンサ(CFXとC)の交互充電および放電により駆動される弛張発振器(252、312、452、512)により発生され、コンデンサの充電速度は電流(温度を示すことができる測定電流I(T)B)と、容量(圧力を示すことができる)との関数である。One or more parameters (eg, temperature, pressure) at the object (eg, tire 104) can be measured and the data stream (FIGS. 3C, 4B) can be sent to an external reader / interrogator (106). Relaxation oscillator for transponder. This transponder normally operates in passive mode, extracting its power (Vxx, Vcc, Vdd) from the RF interrogation signal received by the antenna device (210, 410), but also in active mode powered by battery. Can work. The transponder includes memories (238, 438) for storing measurements, calibration data, programmable trim settings (436b), and transponder IDs and the like. The measurement indication (N T , N P ) comprises a counting oscillation of the measurement signal (Fosc ′) during a fixed time window (t W , t T , t P ). The measurement signal is generated by a relaxation oscillator (252, 312, 452, 512) driven by alternating charging and discharging of the measurement capacitors (C FX and C P ), and the charging rate of the capacitor can indicate current (temperature). It is a function of the measured current I (T) B) and the capacity (which can indicate pressure).

Description

【0001】
関連する出願との相互参照
本出願は、それの出願日と同日に出願された、トランスポンダ用弛張発振器(RELAXATION OSCILLATOR FOR TRANSPONDER)という名称のPCT出願、代理人事件番号No.DN19999116PCTと、トランスポンダ用のプログラム可能な変調インデックス(PROGRAMMABLE MODULATION INDEX FOR TRANSPONDER)という名称のPCT出願、代理人事件番号No.DN19999118PCTと、トランスポンダ用のプログラム可能なトリミング(PROGRAMMABLE TRIMMING FOR TRANSPONDER)という名称のPCT出願、代理人事件番号No.DN19999256PCTとに関連している。
【0002】
本出願は、Yonesにより1999年5月17日に出願された、本願出願人が所有する未決の米国仮特許出願No.60/134,398の一部継続出願である。
【0003】
(技術分野)
本発明は圧力および温度の監視に関するものであり、更に詳しくいえば、圧力測定値と温度測定値を外部(車載の)受信器(読取器、または読取器/質問器)へ送るためにタイヤに組合わされたトランスポンダに関するものである。
【0004】
(背景技術)
自動車の安全、効率的かつ経済的な運転は、自動車のタイヤの全て(おのおの)を正しい空気圧に維持することに大きく依存している。低い空気圧で自動車を運転するとタイヤの磨耗の過大、ハンドル操作の困難、走行の不安定、燃料消費量の増大などの結果をもたらすことがある。それらの困難の全ては、タイヤがパンクした場合にタイヤ圧が零になった時に大きくなる。
【0005】
タイヤの使用中にタイヤ圧を監視する必要性は、空気が完全に抜けた状態で使用できるタイヤである、「ランフラット(ぺちゃんこでも走行できる)」タイヤに関連して強調される。そのようなランフラットタイヤは、たとえば本願出願人が所有している米国特許第5,368,082号、この米国特許の全ては参照することによりここに含まれる、に開示されているように、強化した側壁と、タイヤビードをリムに固着する機構と、惨事をひき起こすような圧力急降下後に運転者が自動車の制御を維持できるようにする空気入りタイヤ内の非空気入りタイヤとを組み込むことができ、かつそれらはタイヤがしぼんだことを運転者がますます気が付かなくなるような点まで進歩している。ランフラットタイヤを使用することの背景にある広い目的は、パンクしたタイヤを修理するために路肩に停車するのではなくて、タイヤを修理するまでに限られた距離(たとえば80キロメートル)をパンクした空気入りタイヤで自動車の運転者が走行を継続できるようにすることである。したがって、空気入りタイヤの空気圧が漏れていることを運転者に警告する(たとえば表示灯またはブザーで)車両内の低空気圧警報装置を設けることが望ましい。
【0006】
そのために、空気入りタイヤの圧力を監視し、現在のタイヤ圧の指示を自動車の運転者に行うか、圧力が所定のしきい値レベル以下に低下した時に運転者に警告するいくつかの電子装置や電子システムが知られている。
【0007】
たとえば、米国特許第4,578,992号(Galasko他、1986年4月)が、感圧コンデンサの容量値を変化させるタイヤ圧と共に変化する固有共振周波数を持つ受動発振回路を構成するコイルと、前記感圧コンデンサとを含むタイヤ圧指示装置を開示している。その回路は、タイヤの外部に配置されて自動車に固定されているコイルにより供給されるパルスにより励振され、受動発振回路の固有周波数が検出される。コイル/コンデンサの固有周波数は感圧コンデンサにかかっている圧力を示す。
【0008】
単なる受動共振回路ではなくて、離れて配置されている受信器へタイヤ圧を示す無線周波数(RF)信号を送信できる電子装置も知られている。そのような「送信装置」はそれ自身の電源を持つこともできれば、圧力が所定のしきい値より下がったときのみ起動することもできる。あるいは、送信装置は遠方に配置されている受信器から起動(「ターンオン」)できる。この場合には受信器は「質問器」と考えられる。また、送信装置は質問器からのRF信号により電力を受けることができる。更に、タイヤ圧を監視する電子装置は質問器から情報を受信する性能を持つことができる。この場合には電子装置は「トランスポンダ」と呼ばれる。
【0009】
ここで用いているように、「トランスポンダ」は無線周波数信号の送受信と、送信された信号が測定された単一の状態(たとえばタイヤ圧)または複数の状態(たとえばタイヤの圧力、温度、回転数)を示す時に適切なフォーマットで可変情報(データ)の送り込みと、選択により、受信信号中に存在することがある情報への応答とができる。空気入りタイヤの最も興味のある典型的な状態はタイヤ圧である。「受動」トランスポンダは質問器から受けた信号のエネルギーにより電力を受けるトランスポンダである。「能動」トランスポンダはそれ自体の電源(たとえば、電池)を持ち、質問器からの信号により、または内部の周期的タイマにより、あるいは付属されている装置により「起こされる」まで、最小の電力を用いて、「休眠モード」にある能動トランスポンダを含んでいるトランスポンダである。ここで使用されているように、「タグ」という用語は、送受信性能を有するトランスポンダ、または送信性能のみを有するトランスポンダを指す。一般に、トランスポンダであるタグは本発明のシステムで好適である。ここで使用されているように、「タイヤ圧監視システム」(TPMS)は、タイヤ内のタグと、自動車内に配置されている質問器とすることができる受信器とを備えている全体のシステムを示す。
【0010】
タグと、それに組合わされる状態センサ(たとえば、圧力センサ)とを自動車の各タイヤ内に装着して、共通の1つの質問器(または受信器)でそれらのトランスポンダのおのおのからの情報を集め、修正(たとえばタイヤ交換)を要する低いタイヤ圧状態を自動車の運転者に警告することが知られている。たとえば、米国特許第5,540,092号(Hndfield他、1996年)、この米国特許の全ては参照することによりここに含まれる、が空気入りタイヤを監視する装置および方法を開示している。その米国特許の図1はトランスポンダ(22)と受信器(24)を備えている空気入りタイヤ監視装置(20)を開示している。
【0011】
空気入りタイヤ内に装着するのに適しているRFトランスポンダの例が米国特許第5,451,959号(Schuermann、1995年5月)と、米国特許第5,661,651号(Geschke他、1997年8月)と、米国特許第5,581,023号(Handfield他、1996年2月)とに開示されている。それらの米国特許の全体が参照することによりここに含まれる。それらの米国特許に記述されているトランスポンダシステムはトランスポンダに組合わされている質問ユニットと、圧力センサと、温度センサとの少なくとも1つと、多数のトランスポンダシステムのなかでタイヤ/トランスポンダの特定を行う種々の技術とを含んでいる。ほとんどの場合に、そのようなトランスポンダは電池電源を必要とする。
【0012】
いくつかの場合には、トランスポンダは集積回路(IC)チップとして実現できる。通常、ICチップおよびその他の部品は印刷回路板(PCB)などの基板に装着されたり、接続されたり、装着および接続されたりする。
【0013】
いくつかの提案されている装置は、タイヤの回転および速度、タイヤID、タイヤ温度、およびタイヤ圧力の測定と報知を含めた比較的複雑なトランスポンダ・センサ性能を有する。たとえば、米国特許第5,562,787号(Koch他、1996年)、および米国特許第5,731,754号(Lee,Jr.他、1998年)、参照することによりそれらの特許の全体がここに含まれる。
トランスポンダの環境的な考察
タイヤに装着されているトランスポンダがその中で確実に動作しなければならない環境は、タイヤの製造中と使用中を含めて、トランスデュ−サの動作成功に対して数多くの問題を呈する。たとえば、トランスポンダに使用されるセンサ(たとえば、圧力や温度用の)の温度範囲は125°Cが好ましく、かつ約177°Cの製造温度に耐えることができなければならない。トラックタイヤの用途では、圧力センサの動作範囲は約345kPaから約827kPaまで(約50psiから約120psiまで)でなければならず、かつタイヤの製造中に約2759kPa(約400psi)の圧力に耐えることができなければならない。それの不正確さへの全ての寄与要素の和を含めた正確さはフルスケールのプラスマイナス3%のオーダーでなければならない。圧力信号の反復性と安定性は指定された確度範囲内になければならない。
【0014】
しかしそれが満たされ、したがって、タイヤトランスポンダ(タグ)は広い範囲の圧力および温度にもかかわらず確実に動作できなければならない。また、タイヤトランスポンダは、車両が道路の速力規制用の隆起またはくぼみの上を走行する際に遭遇するような大きな機械的衝撃に耐えられねばならない。
【0015】
トランスポンダまたはタイヤが損傷を与えるおそれのある高すぎる温度にさらされたかどうかを指示するために使用できる装置が、Case Westarn Reserve UniversityのMehran Mehregany教授により開発された「MTMS」素子すなわち最高温度メモリスイッチである。これはある高温度点において閉じられた状態に切り替わる微小機械加工された素子である。このセンサは、たとえば1メガオームを超える「開かれている」高抵抗状態から、たとえば100オームより低い「閉じられている」低抵抗状態へ切り替わる。圧力データを送るための電子回路に組合わせて圧力トランスデューサを空気入りタイヤに使用することは一般に周知であるが、タイヤのためのそれらの圧力データシステムはタイヤ環境に固有の諸困難に悩まされてきた。そのような諸困難にはRF信号をタイヤとの間で効果的かつ確実に結合すること、タイヤおよび電子部品の使用状況が厳しいこと、および圧力トランスデューサと電子装置がタイヤ/ホイール系に包含されることからタイヤに悪影響が及ぼされることが含まれる。外部読取器/質問器により電力を供給される「受動」RFトランスポンダの状況では別の問題として、トランスポンダ内の回路がそれの設計仕様を実行できるように、トランスポンダ内で予測可能かつ安定な電圧レベルを発生することがある。
【0016】
タイヤに装着されるトランスポンダに使用するのに適する圧力トランスデューサには、
(a)圧電トランスデューサ、
(b)米国特許第3,893,228号(George他、1975年)および米国特許第4,317,216号(Gragg,Jr.、1982年)に開示されているものなどの圧電抵抗素子、
(c)米国特許第4,701,826号(Mikkor、1987年)、米国特許第5,528,452号(Ko、1996年)、米国特許第5,706,565号(Sparks他、1998年)およびPCT/US99/16140(Ko他、1999年7月7日出願)に開示されているものなどのシリコン容量圧力トランスデューサ、
(d)コンダクタンスがinkである可変導電性ラミネートで形成された素子、
(e)可変導電性弾性組成で形成された素子、
が含まれる。
気体の圧力に及ぼす温度の影響
広い意味では、熱的平衡状態にある任意の気体の質量に対して、圧力P、温度T、および体積Vを容易に測定できる。十分に低い密度値に対しては、(1)一定温度に保たれている気体の所与の質量に対して、圧力は体積に逆比例する(ボイルの法則)、および(2)一定圧力に保たれている気体の所与の質量に対して、体積は温度に正比例する(シャルルおよびゲイ‐リュサックの法則)。これにより理想気体の「状態方程式」、すなわち、「理想気体の法則」が導かれる。
【0017】
PV=μRT
ここに、
μは気体のモルで表した質量、
Rは気体に関連する定数、
である。
【0018】
したがって、空気入りタイヤ内に閉じ込められている空気などの、閉じ込められている(固定された)体積の気体に対しては、温度(T)上昇は圧力(P)上昇を示す。
【0019】
理想気体の法則の関係のために、空気入りタイヤの状況においては、任意の種類の圧力センサの動作中に起きる1つの問題が、長時間の走行でタイヤが発熱することである。タイヤが発熱すると、タイヤのほぼ一定で閉じられている容積内に閉じ込められている空気が膨脹して、タイヤ内の圧力を上昇させるが、タイヤ内の全空気量は同じである。名目上の圧力は異なるから、タイヤ圧センサは、タイヤの温度が高い時は低温の場合とは異なる指示を行うことになる。これが、タイヤ圧の点検をタイヤが冷えている時に行うことをタイヤ製造者と自動車製造者が自動車の所有者に推奨している理由である。もちろん、遠隔タイヤ圧センサでは、運転者は車内でタイヤ圧の連続指示を受けることができるが、温度変化のためにその指示は不正確なことがある。したがって、空気入りタイヤ内の膨脹する媒体(「気体」または空気)の温度変化を補償する必要がある。
【0020】
空気入りタイヤにおいて気体法則の影響を何等かのやり方で取り扱っている米国特許には次のものが含まれる。
【0021】
米国特許第3,596,509号(Raffelli、1971年)、米国特許第4,335,283号(Migrin、1982年)、米国特許第4,126,772号(Pappas他、1978年)、米国特許第4,909,074号(Gerresheim他、1990年)、米国特許第5,050,110号(RotT、1991年)、米国特許第5,230,243号(Reinecke、1993年)、米国特許第4,966,034号(Bock他、1990年)、米国特許第5,140,851号(HetTrich他、1992年)、米国特許第4,567,459号(Folger他、1986年)。それらの米国特許の全ては参照することにより全体がここに含まれる。
【0022】
米国特許第4,893,110号(Hebert、1990年)、参照することにより全体がここに含まれる、が異常を検出するために圧力測定値と温度測定値を用いるタイヤ監視装置を開示している。そこに述べられているように、温度と圧力との比がタイヤ内の気体のモル数の第1の近似を与える。それはタイヤから膨脹流体が漏れることをふさぐために一定に保たなければならない。(コラム1、18〜26行)。更に詳しくいえば、各車輪にタイヤの圧力センサ(4)とタイヤの温度センサ(6)と、測定した値を符号化された信号として、米国特許第4,703,650号に開示されているものなどのような車載のコンピュータ(12)へ送る素子(8および10)が組み込まれている。そのコンピュータは各タイヤの圧力と温度の測定値を処理して、各車輪について計算された圧力/温度比(P/T見積り)を見積もる。一般に、1本のタイヤについての比を少なくとも他の1本のタイヤについての比と比較し、比較結果(N)が所定の値範囲からずれた時に警報が出力される。
圧力および温度の指示をタイヤから送信する技術
空気入りタイヤ内の圧力状態と温度状態を共に測定できるとすると、測定された圧力状態と温度状態を示す信号を外部の質問器/受信器へ送るための技術が開発されている。たとえば、下記の米国特許を参照することによりそれらの全体がここに包含される。
【0023】
位相推移により個々に識別される信号を送信する:米国特許第4,174,515号(Marzolf、1979年)、
信号を多重化する:米国特許第5,285,189号(Nowicki他、1994年)、米国特許第5,297,424号(SacketT、1994年)、
データ語の別々のセグメントとして信号を符号化する:米国特許第5,231,872号(Bowler他、1993年)、米国特許第4,695,823号(Vernon、1987年)、この米国特許は遠隔計器と、圧力センサと、温度センサとの少なくとも1つも同じ集積回路チップに含む、
車輪と自動車に装着されているコイルとの間での送信:米国特許第4,567,459号(Folger他、1986年)、
周波数変位キー(FSK)信号を使用する:米国特許第5,228,337号(Sharpe他、1993年)、
質問器からのRF信号をセンサからの状態パラメータデータで後方散乱変調し、その後で、後方散乱変調された信号を質問器へ戻す、米国特許第5,731,754号(Lee,Jr.他、1998年)、
米国特許第4,703,650号(Dosjoub他、1987年)、参照することによりそれらの全体がここに包含される、がタイヤ内で測定された2つの変数の値を符号化する回路と、その回路を用いてタイヤを監視する装置とを開示している。符号化回路は、変数、たとえば、圧力および温度、の測定値を時間測定値へ変換する無安定マルチバイブレータを含んでいる。その無安定マルチバイブレータは、温度の関数であるパルス幅と、圧力の関数である周期比とを有するパルス信号を生ずる。
【0024】
米国特許第5,054,315号(Dosjoub他、1991年)、参照することによりそれらの全体がここに包含される、がタイヤ内で測定されたいくつかの量の値を符号化する技術を開示している。そこに開示されているように、
「タイヤ内で測定された任意の数の量、たとえば、それの圧力および温度、の値の符号化が時間間隔の比TP/Tr、TT/Trを用いて行われる。これはその装置を変調装置の時間経過の影響を受けないようにする。時間経過は前記比の分子と分母に同時に影響する。」(要約)
(発明の概要)
本発明によれば、無線周波数(RF)トランスポンダが、トランスポンダを外部の読取器/質問器に結び付けるものに独特の情報を送信できる回路を有している。また、1つまたは複数のトランスポンダ・センサ(トランスデューサ)がトランスデューサの場所において実時間パラメータ測定を行う。それらの測定値はデータ流中のデータの形で、トランスポンダにより外部の読取器/質問器へ送られるRF信号にデータ流を加える(変調する)などの、トランスポンダにより出力された信号に載せられて読取器/質問器へ送られる。
【0025】
本発明によれば、圧力と温度との通常2つの実時間パラメータが測定される。圧力は独立している(「オフチップ」)圧力センサにより測定することが好ましい。その圧力センサは、多項式などの、既知のやり方で、または好ましくは周囲圧のほぼ一次関数として、それの容量値を変化する種類のものである。好ましくは、温度センサはトランスポンダのICチップ内に埋め込まれ(「オンチップ」)、温度補償された真の圧力を容易に計算できるように圧力センサが受けるのとほぼ同じ周囲温度にさらされるように配置される。
【0026】
本発明の面に従って、トランスポンダは、測定スイッチング回路と、第1の位相経路および第2の位相経路を有するセット‐リセット回路と、出力とを備える弛張発振器へ測定電流を供給する測定電流源を備え、論理回路と、測定スイッチング回路内に配置されている測定コンデンサと、論理回路により制御され、測定コンデンサを充電する測定電流を測定コンデンサに供給する第1のトランジスタと、論理回路により制御されるトランジスタを有し、第2のトランジスタ内の測定電流を写して、測定コンデンサを充電する電流ミラーと、を備え、論理回路はセット‐リセット回路の位相を示す信号をタイミング発生器からの信号に組合わせて、測定コンデンサの交番する充電と放電をセット‐リセット回路の位相に従って制御することを特徴とするものである。
【0027】
本発明のこの面の特徴に従って、測定電流が測定されたパラメータを示し、測定コンデンサが固定された容量値を持ち、したがって、弛張発振器出力は測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である。あるいは、測定コンデンサが測定されたパラメータ(たとえば、周囲圧力)を示す変化する容量値を持ち、したがって、弛張発振器出力は測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である。あるいは、測定電流が第1の測定されたパラメータを示し、測定コンデンサが第2の測定されたパラメータを示す変化する容量値を持ち、したがって、弛張発振器出力が第1の測定されたパラメータと第2の測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である。測定電流がスケールされた電流であるように、プログラム可能な電流スケーリング回路を測定電流源と弛張発振器の間に挿入でき、電流スケーリング回路は、少なくとも1つのスケーリング・トリムビットの設定により制御されるトリムスイッチを備え、各スイッチは、スケールされた測定電流をプログラム可能なトリム設定に従って変化するために少なくとも1つのスケーリングトランジスタに直列に接続されている。弛張発振器は、測定コンデンサの電圧を第1の固定されている基準電圧および第1の固定されている基準電圧より低い第2の固定されている基準電圧と比較する、セット‐リセット回路内の2つの比較器を備え、したがって、弛張発振器は2つの固定されている基準電圧の間で発振することを特徴とする。小さいバイアス電流を電流ミラーに接続して測定コンデンサを放電するために論理回路により制御されるにバイアス制御トランジスタを付加できる。
【0028】
本発明の面に従って、弛張発振器は第1の測定スイッチング回路と第2の測定スイッチング回路を備えることができ、各測定スイッチング回路は測定コンデンサと、どの測定スイッチング回路が電圧をセット‐リセット回路に供給するかを制御するスイッチとを有する。測定のために使用されている時は、各測定スイッチング回路は上記個々の測定スイッチング回路と同様に機能する。通常は、測定電流が測定されたパラメータ(たとえば、温度)を示し、第1の測定コンデンサが固定された容量値を持ち、したがって、弛張発振器出力が、第1のスイッチが閉じられ、第2のスイッチが開かれている時に、第1の測定されたパラメータを示す周波数を有する信号であり、第2の測定コンデンサが第2の測定されたパラメータ(たとえば、圧力)を示す、変化する容量値を持ち、したがって、弛張発振器出力が、第1のスイッチが開かれ、第2のスイッチが閉じられている時に、第1の測定されたパラメータと第2の測定されたパラメータとを示す周波数を有する信号である。上記のように、弛張発振器内の第1の測定回路と第2の測定回路により使用される測定電流がスケールされた電流であるように、プログラム可能な電流スケーリング回路を測定電流源と弛張発振器の間に挿入できる。更に、2つの測定スイッチング回路により使用されるスケールされる測定電流に対して異なるスケーリング係数を提供するようにしてプログラム可能な電流スケーリング回路スイッチを制御できる。
【0029】
本発明の面に従って、発振測定信号の周波数が測定されたパラメータを示す、上記したRFトランスポンダなどのRFトランスポンダで発振測定信号を発生する方法が記述される。この方法は、弛張発振器の各測定スイッチング回路内の測定コンデンサを充電するために測定電流を供給することと、およびその後で測定コンデンサを放電するために測定コンデンサに写された測定電流を供給することとを交互に行うことより主として成る。測定信号周波数を最適にして各測定されるパラメータについて最適にされた指示を生ずるようにしてプログラム可能にスケールされた測定電流を測定スイッチング回路に供給できる。各測定コンデンサが測定に使用されていない時に各測定コンデンサを接地することにより測定コンデンサを定められた状態に置くことができ、セット‐リセット回路が測定に使用されていない時に接地された入力端子と共にセット‐リセット回路を同様に定められた状態に置くことができる。最後に、弛張発振器が始動した時と測定信号が測定カウンタ/レジスタにゲートされた時との間に遅延を加えることにより、測定されたパラメータの指示が始まる前に弛張発振器を安定にできる。
【0030】
本発明のその他の目的、その他の面およびその他の利点は以下の説明から明かになるであろう。
【0031】
(発明の詳細な説明)
本発明の好適な実施形態について子細に参照する。それらの実施形態の例が添付図面に示されている。図面は例示であることを意図したものであって、限定するものではない。本発明をそれらの実施形態の文脈で説明するが、それは本発明の要旨および範囲をそれら特定の実施形態に限定することを意図するものではないことを理解すべきである。
【0032】
選択された図面中のある要素は図示を簡明にするために正しい尺度で描いていないことがある。
【0033】
図面全体を通じて類似する要素には類似する参照番号を付していることがしばしばである。たとえば、ある図(または実施形態)中の要素199は他の図(または実施形態)中の要素299と多くの面で類似していることがある。種々の図または種々の実施形態における類似する要素の間のそのような関係は、もしあれば、もし応用可能であれば、特許請求の範囲および要約を含めて、明細書全体を通じて明らかになるであろう。
【0034】
ある場合には、類似の要素は単一の図面で類似の番号で参照できる。たとえば、複数の要素199を199a、199b、199c等で参照できる。
【0035】
図示を簡明にするために、ここで示されている横断面図は、もしあれば、真の横断面図では見えるある背景線を省いた「輪切り」の形、または「近視」横断面図で提示することがある。
【0036】
本発明のこの好適な実施形態の構成、動作および諸利点は添付図面を参照して以下の説明について考察すると更に明らかになるであろう。
【0037】
上記のように、車両のタイヤ圧を監視して、低タイヤ膨脹圧状態が起きた時に運転者に警報する装置を提供することが本発明の一面である。
【0038】
図1は、空気入りタイヤ104内に配置されている(たとえば、それの内面に装着される)RF(無線周波数)トランスポンダ102を備えている先行技術のRFトランスポンダ装置100を示す。(アンテナ(図示していない)がタイヤ104内に装着されてトランスポンダ102に接続されている。)トランスポンダ102は、特有の識別(ID)情報(たとえば、それ自身の一連番号、またはそれが組合わされている物体、たとえば、タイヤ104、の識別番号)と、トランスポンダ102に組合わされているセンサ(図示していない)により検出された周囲圧などのパラメータ測定値を示すデータとを外部の読取器/質問器106へ送信できる電子装置である。外部の読取器/質問器106はトランスポンダ102に質問するRF信号を供給し、アンテナ110と、トランスポンダ102により/から送られた情報を表示する表示パネル112と、使用者が読取器/質問器106の機能を操作するための操作器(スイッチ、ボタン、つまみ等)とを含んでいる。手持ち式の装置として示されているが読取器/質問器は車両(図示していない)内に搭載される電子装置とすることができる。本発明はRFトランスポンダを実現することに主として向けられている。
【0039】
知られているように、IDとパラメータ測定情報との少なくとも一方は、トランスポンダ102により送られる信号上で各種のやり方で符号化でき(加えられ)、その後で使用者に表示するために読取器/質問器106で「復号される」(復旧される)。RFトランスポンダ102は「受動」として、外部読取器/質問器106により発生されてアンテナ108により放射されたRF信号により電力を供給されるようにできる。あるいは、RFトランスポンダ102は「能動」として、電池により電力を供給されるようにできる。ここで説明しているトランスポンダ装置100などのトランスポンダ装置は周知である。
【0040】
本出願の出願人が所有している、Pollack、Brown、Black、およびYonesにより1998年4月14日に出願された未決のPCT特許出願No.PCT/US98/07338が、参照することによりそれの全体がここに含まれる、トランスポンダ、特に、それの動作電力を外部の無線周波数(RF)源から得て、圧力データと温度データの少なくとも一方の識別および送信に使用するために空気入りタイヤに組合わされる「受動」トランスポンダを開示している。
【0041】
上記PCT特許出願No.PCT/US98/07338は、本発明のトランスポンダの以前のモデル(モデル番号「3070C」であるトランスポンダを開示している。本発明は以前のモデルとの共通性と、改良部分とを含んでいる。以前のモデルの関連する部分については、図2、図3、図3A、図3Bおよび図3Cを参照して以下で説明する。
【0042】
図2は主な機能部品を示すモデル3070C RFトランスポンダ200(102と比較されたい)のブロック図である。この例としての装置は圧力と温度を測定することが好ましい実施形態として説明するが、適切なセンサを含んでいるその他のパラメータの測定を含むことは本発明の範囲内である。
【0043】
トランスポンダ200は破線202内に示されている単一の集積回路(IC)チップ上で実現することが好ましい。その集積回路にいくつかの外部部品が接続される。この図の他の破線がトランスポンダ200の主な機能「ブロック」を含み、トランスポンダ「心臓部」204およびセンサインタフェース206を含んでいる。ICチップ202の外部の部品は、アンテナ212を含むアンテナシステム210と、このアンテナ212に並列に接続されてL‐C共振タンク回路を構成しているコンデンサ214と、外部の精密抵抗(Rext)216と、外部の圧力感知コンデンサ(Cp)218と、外部の最高温度測定スイッチ(MTMS)220とを備えている。最高温度測定スイッチ220は使用するか否かは随意である。アンテナ212はコイルアンテナ、ループアンテナ、ダイポールアンテナ、等の形とすることができる。あるいは、このトランスポンダにより出力される信号は伝送線で供給できる。それらのアンテナ実施例のあるもの(たとえば、ループアンテナ)に対しては、コンデンサ214は省略できる。その理由は、そのようなアンテナの同調にはそのコンデンサは利益がないためである。以後の説明の大部分は、コイルアンテナを有するトランスポンダについて説明する。
【0044】
圧力感知コンデンサCpは対象とする圧力範囲内で高い感度と良い直線性を有する容量対圧力応答をもつ頑丈で、温度係数が小さいセンサであることが好ましい。それの1の例が、この技術で知られており、上で説明した圧力センサなどの全シリコン「タッチモード」容量圧力センサである。
【0045】
トランスポンダの心臓部204は、アンテナ212により受信された無変調の125kHz(キロヘルツ)搬送波信号などのRF信号を処理し、受けたRF信号を整流し、かつICチップ202の他の回路に電力を供給するインタフェース回路222を含んでいる。たとえば、そのインタフェース回路は2.5ボルトの安定化された電源電圧(Vdd)と、温度とは独立している1.32ボルトのバンドギャップ電圧(Vbg)とを供給する。トランスポンダ回路への種々の電源電圧および基準電圧の供給については図3Bを参照して以下に詳しく説明する。インタフェース回路222は受けたRF信号を、好ましくはそれが受けた入力周波数(Fi)で、ICチップ内の他の回路のタイミングを制御するために既知のやり方でクロック信号を発生するクロック発生回路224に供給し、かつ、トランスポンダ200により送られる信号の出力周波数(Fc)を外部読取器/質問器(たとえば、106)へ供給する。
【0046】
タイミング発生器/シーケンサ回路226はクロック発生回路224からクロックパルスを受け、それらのクロックパルスを処理して(たとえば、分周する)、パラメータ(たとえば、温度と圧力)の測定を行う所定の時間(それぞれtとt)の間タイミングウィンドウ(WとW、下で説明する)を発生する。タイミングウィンドウWとWはほぼ等しい長さにすることもできれば、異なる長さにすることもできる。タイミング発生器/シーケンサ回路226はセンサインタフェース206で行われる種々の機能(たとえば、圧力の測定と捕獲、温度の測定と捕獲、これについて後で説明する)のタイミングと順序を制御もする。そのタイミング発生器/シーケンサ回路226はアルゴリズム状態マシン(ASM)として実現することが好ましい。
【0047】
トランスポンダの心臓部204は、温度測定値(カウント)および圧力測定値(カウント)をそれぞれ捕獲および保存する温度レジスタ232(たとえば、12ビット)と、圧力レジスタ234(たとえば、12ビット)と、EEPROMアレイを含んでいるアドレス可能なメモリ(たとえば、120ビット)のブロック236とを含んでいるレジスタ/カウンタ回路230を更に含んでいる。レジスタ232、234とEEPROMアレイ236は、ICチップ202上のアドレス可能なメモリのブロックを表している破線238内に示されている。
【0048】
レジスタ/カウンタ回路230は、信号(たとえば、データ)が線244を経て変調回路246へ送られる順序を制御するためにマルチプレクサおよび列デコーダ240と、行デコーダ242も含んでいる。変調回路246は、データ流中の選択されたタイヤ動作特性測定値を、インタフェース回路222とアンテナ装置210を介して、読取器/質問器(たとえば、106)へ送る。
【0049】
トランスポンダ心臓部204は、変調情報(たとえば、温度測定値および圧力測定値)を変調回路246へ供給するレートを制御するボーレート発生器248も含んでいる。ボーレート発生器248は、トランスポンダの出力周波数Fcを制御するデータ搬送波クロックと、測定値と較正情報および識別コード等を含んでいるデータ流がトランスポンダ200の出力搬送波信号を変調する速度を制御するデータ速度クロックとを供給もする。
【0050】
センサインタフェース206は、外部抵抗(Rext)216に重畳される温度感知成分(たとえば、トランジスタQ1のVbe、後で説明する)の予測できる特性電圧に関連する出力電流I(T)/Nを線251上に発生する回路250を含んでいる。線251上の出力電流I(T)/Nは弛張発振器252に供給される。一般的ないい方では、弛張発振器252は、線251上の出力電流I(T)/Nと、弛張発振器252に関連する内部容量CFX1、CFX2と、発振器回路内にスイッチで接続できるとすることができる外部容量(Cp)218との関数である電圧変化率(dV/dT)により制御される周波数で発振する。後で詳しく説明するが、周囲温度と周囲圧力を示す、弛張発振器252からの出力信号Fosc’が線253に供給される。ここで使用する「周囲」という用語はトランスポンダ200の付近で、またはより具体的にはトランスポンダ200に組合わされているそれぞれのセンサの付近で測定されるパラメータを指す。トランスポンダ200、102が空気入りタイヤ(たとえば、104)内に装着されると、「周囲圧力」と「周囲温度」はタイヤ104内の膨脹媒体(たとえば、空気)の圧力と温度を指す。
【0051】
動作時には、外部源(すなわち、読取器/質問器、示されていない、106を参照、)からのRF信号がアンテナ212により受けられる。このRF信号は整流されてRFトランスポンダ200に電力を供給するために使用される。変調回路246に加えられる変調情報はアンテナ装置210の諸特性(たとえば、インピーダンス、共振周波数等)を変更するために用いられる。それらの変更は外部読取器/質問器106により検出され、復号されて温度および圧力の情報をRFトランスポンダ200から外部読取器/質問器106へ送る。
【0052】
タイミング発生器/シーケンサ回路226は、弛張発振器252により出力される周波数Fosc’の発生に外部圧力検出容量(Cp)218が含まれているいる時を制御し、かつデータ獲得回路254を介する圧力カウントおよび温度カウントの獲得も制御する。たとえば、温度を測定するために、温度感知電流I(T)が内部発振器コンデンサ(CFX1とCFX2)を通るが、圧力検出容量(Cp)218はそれらの容量から切り離される(含まれていない)。これは、線253上で見られる発振器出力信号の周波数Fosc’が温度のみの関数であることを意味する。圧力検出コンデンサ(Cp)218が「接続される」と、線253における発振器252の出力信号の周波数Fosc’は、後で非常に詳しく説明するように、圧力および温度の両方の関数である。後で非常に詳しく説明するように、圧力‐温度測定から「圧力のみ」指示を取出すために読取器/質問器106であるアルゴリズムが採用される。
【0053】
「圧力指示」、「圧力カウント」、「圧力応答」、「圧力レジスタ」等に対してここで行っている言及は、実際にはハイブリッド圧力‐温度指示を生ずるこのトランスポンダ技術により測定される「圧力」を全体として指すものである。このハイブリッド指示の温度成分を除去するためにこのハイブリッド指示が処理されると、その指示は「圧力のみ」指示と呼ばれる。
【0054】
タイミング発生器/シーケンサ回路226により制御されるにつれて、データ獲得回路254は弛張発振器の出力信号Fosc’を、温度と圧力のいずれが測定されているかに応じて、線255を介して温度レジスタ232へ、または線257を介して圧力レジスタ234へ送る。カウンタは発振器の周波数Fosc’をレジスタ232、234に保存されるカウントに変換する。タイミング発生器/シーケンサ回路226により提供されるタイミング「ウィンドウ」は既知の被制御持続時間を持つ。その結果、タイミングウィンドウが「閉じる」時に温度レジスタ232または圧力レジスタ234に(獲得されて)残っているカウントは弛張発振器252の周波数Fosc’の関数であり(それに比例する)、したがって、そのタイミングウィンドウ中に温度または圧力のいずれが測定されたにしても、温度または圧力の関数である。
【0055】
EEPROMアレイ236は、たとえば表示器112を介して使用者に表示できる温度指示と圧力指示に温度カウントと圧力カウント(それぞれNT、NP、後で非常に詳しく説明する)を変換するために読取器/質問器(たとえば、106)が使用する較正定数を保持するために用いられる。EEPROMアレイ236はトランスポンダのIDと、トランスポンダのための較正データと、所与のトランスポンダに特有のその他のデータとを保存することもできる。
【0056】
図3は図2のトランスポンダ200の部品のいくつか、主として図2のセンサインタフェース部206に関して上で説明した部品、のより詳細な回路図300である。
【0057】
この回路図300では通常の回路記号が用いられている。たとえば、相互に交差している線は、それらの交点に「黒点」がなければ相互に接続されておらず、黒点があれば線は相互に接続されている。通常の記号はトランジスタ、ダイオード、接地接続、抵抗、コンデンサ、スイッチ、比較器、インバータ、論理ゲート(たとえば、「AND」、「NAND」、「OR」、「NOR」)のためにも用いられている。
【0058】
この回路はCMOS実施例に関して説明する。ここに、「P」の後に数字が付されているもの(たとえば、「P1」)はPMOS(Pチャネル)トランジスタを示し、「N」の後に数字が付されているもの(たとえば、「N1」)はNMOS(Nチャネル)トランジスタを示す。CMOSトランジスタはFET(電界効果トランジスタ)型であって、3つの「ノード」または「端子」−すなわち、「ソース」(S)、「ドレイン」(D)、およびソースとドレインの間の電流の流れを制御する「ゲート」(G)をおのおの有する。以下の説明では、いくつかのPMOSトランジスタとCMOSトランジスタとは「ダイオード接続されている」、それらのトランジスタのドレイン(D)はそれのゲート(G)に接続されていることを意味する、ことが明らかであろう。トランジスタ、とくにCMOSの動作の一般的な理論は、本発明が最も近く属している技術の当業者には周知である。
【0059】
以下の説明から明らかであろうが、いくつかのCMOSトランジスタが「電流ミラー」構成で接続されている。電流ミラーの概念は周知であり、それの最も簡単な形態は2個の同じ極性のトランジスタ(たとえば、2個のPMOSトランジスタ)を用い、それらのトランジスタのゲートが相互に接続され、一対のトランジスタの一方がダイオード接続されているものである。電流ミラーはダイオード接続されているトランジスタに電流を流させることを一般に含んでいる。その結果として、その電流を生ずるために必要なゲート電圧がダイオード接続されているトランジスタに生ずることになる。一般に、ダイオード接続されているトランジスタのゲート電圧はそのトランジスタを流れるミラー電流を生ずるために必要な電圧にさせられる。ダイオード接続されているトランジスタには、それの定義により、ダイオード接続されているトランジスタのゲート電圧を任意の他の同じように接続されているトランジスタに加えることにより、ゲート電流が流れないので、ミラーされた電流が同じように接続されているトランジスタに流れる。通常は、電流ミラートランジスタは同じ物理的面積を有する。その場合にはミラーされた電流は現にミラーされている電流と本質的に同じである。トランジスタの一方(の面積)を他方より物理的に大きくするか、小さくすることにより、現にミラーされている電流より大きいか、小さいミラーされた電流を生ずることが知られている。異なる面積を持つそのように同じように接続されているトランジスタが電流ミラー構成で接続されていると、それらのトランジスタの尺度が異なる(大きい、または小さい)面積がそれに対応して大きさが異なる(大きいか、小さい)電流を生ずる。
【0060】
以後は概して、回路の種々の部品の間の数多くの接続が図に明確に示されており、説明は、全てが図に明確に示されている、回路の種々の部品の間のどの接続も(うんざりするほど)列挙することではなくて、回路の種々の部品の種々の機能と、種々の部品の間の種々の相互作用について強調して説明する。
【0061】
アンテナ装置210はコイルアンテナ212と、コンデンサ214(コイルアンテナ212の端子間に接続されてL−C共振タンク回路を構成する)を備え、交流電流(AC)を全波整流器回路302に供給する。コンデンサ214は使用するか否かは随意である。
【0062】
全波整流器回路302(222に匹敵する)は、図示のように、従来のやり方で接続されている2個のPMOSトランジスタと2個のダイオードを有し、全波整流された直流(DC)電圧を線303に出力する。コンデンサ304が線303とアースの間に接続されて、線303に存在する全波整流された直流(DC)電圧中の変動(「リップル」)を「平滑」(濾波)にする。そうすると線303における電圧はトランスポンダの残りの部品のために使用できる電圧、この場合には線303における正の電源電圧Vcc、になる。
【0063】
図2のベース‐エミッタ間電圧‐電流変換器250にほぼ対応する温度検出回路306が線303(Vcc)とアースの間に接続され、4個のCMOSトランジスタP1、P2およびN1、N2と、横バイポーラトランジスタQ1とを含み、外部抵抗216(Rext)に接続されている。トランジスタP2とN1は図示のようにダイオード接続されている。2個のトランジスタP1とP2は電流ミラー構成で接続されており、2個のトランジスタN1とN2も電流ミラー構成と一般に考えることができるもので接続されている。トランジスタN1のソース(S)はトランジスタQ1を介して接地され、トランジスタN2のソース外部抵抗(Rext)216を介して接地されている。
【0064】
明らかとなるであろうように、検出された周囲温度(たとえば、トランスポンダが組合わされているタイヤ内の)に比例する信号(すなわち、電流)を発生する温度検出回路306の性能は、トランジスタQ1のベース‐エミッタ電圧が温度の極めて予測可能で反復可能である特性に大きく依存する。抵抗(Rext)216は外部の精密基準抵抗であって、それの値は温度にはほとんど独立している(トランジスタQ1の温度依存性とは対照的である)。抵抗(Rext)216の適切な値はたとえば20.5キロオームまたは455キロオームである。
【0065】
トランジスタN2はトランジスタP2と外部抵抗(Rext)216の間に「ソース‐ホロワ」モードで接続されている。電圧がトランジスタN2のゲート(G)に加えられると、それのソース電圧はそれのゲート電圧(マイナスそれのゲートとそれのソースとの間の固有の電圧降下(Vgs))に「追従」する。
【0066】
トランジスタN1を電流が流れると、それのゲート電圧はトランジスタQ1のエミッタ電圧より高いトランジスタN1のゲート‐ソース電圧降下(Vgs)により打ち消される。トランジスタN1とN2はほぼ同一であるので、同じ電流が2個のトランジスタN1とN2のおのおのを同じ電流が流れ、それらのトランジスタのゲート‐ソース電圧降下(Vgs)は同じである。その結果、トランジスタN2のソースにおける外部抵抗(Rext)216の端子間電圧はトランジスタQ1のエミッタにおける電圧にほぼ等しい。したがって、オームの法則(E=IR、またはI=E/R)を適用すると、外部抵抗(Rext)216を流れる電流はトランジスタQ1のエミッタ電圧を外部抵抗(Rext)216抵抗値で除したものに等しい。
【0067】
正常な動作では、外部抵抗(Rext)216を流れる全ての電流はトランジスタN2のソースを流れ、したがって、ダイオード接続されているトランジスタP2を流れる。電流ミラー接続により、トランジスタP2を流れる電流はトランジスタP1において複製される(ミラーされる)。これによりトランジスタN1、N2を流れる電流は常に同じにされ、それによりトランジスタQ1のエミッタ電圧と外部抵抗(Rext)216の端子間電圧を、電圧変動や処理の相違とは独立に、確実に同じにすることを更に支援する。上記のように、トランジスタN1、N2は電流ミラー構成と一般に考えることができるようにして接続される。しかし、それらは厳密には同じに接続されていないので、回路306におけるそれらのトランジスタの機能は主としてQ1と外部抵抗(Rext)を「整合」することである。
【0068】
要するに、温度検出回路306は、外部抵抗(Rext)を流れる電流I(T)を予測できるようにすること、およびそれがトランジスタQ1の絶対温度(T)の関数であるようにする。後で更に詳しく説明するように、外部抵抗(Rext)216を流れる電流I(T)は弛張発振器(316、後で説明する)に鏡像のように移されてトランジスタQ1の温度を示す信号を外部読取器(106、図1)に与える。後で更に詳しく説明するように、弛張発振器312の出力周波数Fosc’はトランジスタQ1の絶対温度(T)の関数である。
【0069】
この点で、全体のトランスポンダ回路の温度検出素子として採用されているのは本質的にトランジスタQ1であることに注目することが有用である。このトランスポンダ回路は、トランジスタQ1のベース‐エミッタ電圧が予測できる量−2.2mv/°C(セ氏度当りのミリボルト)だけ変化するという、CMOS技術で製造されたそのようなトランジスタの固有の特性を採用しているので有利である。
【0070】
本発明のトランスポンダを、それの回路に電力を供給するために外部源(106、図1)により供給されるRF電力に依存する、「受動」装置に関して説明していることに注目すべきである。しかし、トランスポンダが、電池などの、それ自身の電源を含んでいることは本発明の範囲内である。いずれの場合にも、温度検出回路306に関して説明したように最初に電力を供給する時には、それの静止状態からそれの正常な動作状態まで「徐々に」達するようにすることが重要である。そのために、温度検出回路306と「始動」回路308の間に接続されている2本の線305と307が示されている。
【0071】
始動回路308(図2のベース−エミッタ電圧−電流変換器250の一部でもある)は線303における電源電圧(Vcc)とアースの間に接続されて次の2つの主な目的を果たす。(i)トランスポンダ(200)が電力を供給されていない状態から最初に始動した時に温度検出回路306に電流を流すこと、および(ii)トランジスタP2を流れている電流を電源を基準にしている電流からアースを基準にしている電流に鏡像のように変換すること。
【0072】
始動はトランジスタP3により開始される。トランジスタP3は「弱い引上げモード」で機能するように高いチャネル抵抗値持つように製造される。それのゲートが接地されているのでそれは常に「オン」であり、高い抵抗値(たとえば、>1メグオーム)を持つ抵抗のように本質的に動作する。
【0073】
始動時には、回路の他の場所には電流は流れないので、トランジスタP3は動作してトランジスタN3のゲートを電源電圧(Vcc)へ向かって引き上げることにより、トランジスタN3をターンオンする。そうするとトランジスタN3の接地されているソースがそれのドレイン(D)へ実効的に接続され、それによりトランジスタP1、P2、P4のゲートが接地されると共に、ダイオード接続されているトランジスタP2のドレインも接地される。そうすると温度検出回路306のトランジスタP2を通じてトランジスタN3のドレインに電流が流される。トランジスタP1、P2、P4は(「Pbias」線305を介して)電流ミラー接続されているので、トランジスタPを今流れている電流はトランジスタP1とP4でのミラー電流にされる。電流がトランジスタP4を通じてトランジスタN5のドレインに流れ込むと、トランジスタN4とN5の間の電流ミラー接続が対応する電流をトランジスタN4に流すことにより、トランジスタN3のゲートをアース電位に引き下げ、それによりトランジスタN3を流れている電流を効果的に「停止」する。
【0074】
しかし、今は電流が電流ミラートランジスタP1、P2、P4を流れているので、トランジスタP1からダイオード接続されているトランジスタN1を通じてトランジスタQ1に流れ込む電流が温度検出回路306をそれの安定な動作点状態(それの零電流状態ではなくて)において「始動」させる。始動後は、トランジスタN3は回路からほぼ「離れて」、それの意図されている機能を実行する。
【0075】
トランジスタN5はトランジスタN4と(および後で説明するように、トランジスタN6と)電流ミラー構成で接続されている。したがって、本質的には、外部抵抗(Rext)216を流れている電流に等しい電流がトランジスタN5を流れるので、同じ電流がトランジスタN4を流れ、それにより線309上に基準電圧(Nbias)を設定する。線309上のその基準電圧(Nbias)と、線309′における電源電圧(Vdd)は電流スケーリング回路310に供給される。
【0076】
線309′における電源電圧(Vdd)は、チップの他の場所で従来のやり方で発生された多数のバンドギャップ電圧(Vbg)などの適切な任意のやり方で提供され、それの大きさ(たとえば、1.32ボルト)は、チップの製造に採用されるシリコン法に固有のように、温度とは独立していなければならない。そのような安定な(たとえば、バンドギャップ)電圧(たとえば、Vbg)およびそれから取出された電源電圧(たとえば、Vdd)の提供は、本発明が最も近く属している技術の当業者の十分な理解範囲内であり、それについては後で図3を参照して非常に詳しく説明する。
【0077】
電流スケーリング回路310(図2のベース−エミッタ電圧−電流変換器250の一部でもある)は次のような例示的やり方で構成される。トランジスタP5、P6のソースが電源電圧Vddに接続されている。トランジスタN6のゲートは線309上の基準電圧(Nbias)を受ける。トランジスタN6は電流ミラー構成でトランジスタN5(および前記トランジスタN4)に接続され、したがって、トランジスタN4とN5を流れる電流I(T)の流れを写す。したがって、ダイオード接続されているトランジスタP5を流れる電流の流れはトランジスタN4、N5、N6を流れる電流の流れを写す。
【0078】
トランジスタP5とP6は電流ミラー構成で接続されているが、トランジスタP6を流れる電流がトランジスタP5の物理的面積とトランジスタP6の物理的面積との比(N)だけ大きくされたり、小さくされたりする。たとえば、トランジスタP6の寸法がトランジスタP5の寸法より小さい(すなわち、トランジスタP5の面隻がトランジスタP6の面積の「N」倍である)とすると、トランジスタP6を流れる電流はトランジスタP5を流れる電流より相応して小さい(N分の1)。したがって、トランジスタP6を流れる「スケールされた」電流は、図では「I(T)/N」と記されており、線311を介して弛張発振器回路312(252参照)に供給される。トランジスタP5とP6を流れる電流の比は、トランジスタの一方を他方より単に大きく製造したり、集合面積が2個のトランジスタの一方の面積より大きいように、2個のトランジスタの他方を2つまたはそれ以上の同じ寸法のトランジスタの集合として製造することなどの、従来の回路処理技術により容易に設定できる。
【0079】
弛張発振器回路312(252参照)はかなり従来の構成のものであって、2つの位相経路314aと314bを供えているセット‐リセット回路314の「フロントエンド」に測定スイッチング回路315を含んでいる。この回路315は、1つの位相経路(φ1)314aのフロントエンドにおいて測定コンデンサCFX1の充電される側に接続されている一対の相補トランジスタP7、N7と、他の測定コンデンサCFX2の充電される側に接続されている他の一対の相補トランジスタP8、N8と、プラス、他の測定コンデンサCpを付加するスイッチ350とを備えている。測定コンデンサCFX2とスイッチ350および測定コンデンサCPは全て他の位相経路(φ2)のフロントエンドにある。
【0080】
所与のトランジスタ対(たとえば、P7とN7)について図示のように接続されているので、それらのトランジスタの共通ゲート電圧が高い(すなわち、正の電源へ向かう)とそれの出力(たとえば、位相経路314aへ)は接地され(接地されて線311における電流I(T)/Nから分離されている)、それらのトランジスタの共通ゲート電圧が低いと、それの出力は線311を通じて弛張発振器312の位相経路のそれぞれ1つ(たとえば、314a)に流れる電流I(T)/Nを供給する。弛張発振器312などの回路について知られているように、一対のトランジスタ(たとえば、P7とN7)の一方における共通ゲート電圧が高いと、一対のトランジスタ(たとえば、P7とN7)の他方における共通ゲート電圧は低く、これの逆もそうである。このようにして、各位相経路314aと314bはあるデューティサイクル(すなわち、それの「オン」時間)を有する。そのデューティサイクルは同じにでき、または他の位相経路314aと314bのデューティサイクルとそれぞれ異ならせることができる。そうすると、各トランジスタ対(たとえば、P7とN7)はそれのそれぞれの位相経路(たとえば、314a)への「入力スイッチ」と考えることができる。
【0081】
弛張発振器312の各位相経路314aと314bはそれの入力端子に比較器316aと316bをそれぞれ有し、かつ比較器316aと316bの負(−)入力端子とアースの間に接続されている固定された値のコンデンサCFX1とCFX2をそれぞれ有する。コンデンサCFX1とCFX2の容量はたとえばそれぞれ2〜5pf(ピコファラド)および2〜5pfであり、小さい温度係数(たとえば、20ppmより小さい)を示すポリ−ポリコンデンサなどの、等しい値の「オンチップ」素子として実現することが好ましい。比較器316aと316bの正(+)入力端子は一緒に接続され、1.32ボルトなどの、温度とは独立の基準しきい値電圧Vbgに設定されている。
【0082】
各位相経路314aと314bの入力端子に「NOR」ゲート318aと318bがそれぞれ接続され、2つのNORゲート318aと318bは交差結合されて、線319aと319bに出力を生ずる保持回路を形成している。したがって、交差結合されているNORゲート318aと318bはフリップフロップ、すなわち、RS(リセット/セット)ラッチとして機能できる。
【0083】
入力スイッチ(たとえば、P7とN7)の一方の共通ゲート電圧が高いと、その位相経路(たとえば、314a)のためのそれぞれのコンデンサ(たとえば、CFX1)が接地される(短絡されて電荷を失わせられる)。それとは逆に、入力スイッチ(たとえば、P7とN7)の一方の共通ゲート電圧が低いと、線311からのスケールさせられた電流I(T)/Nがその位相経路(たとえば、314a)のためのそれぞれのコンデンサ(たとえば、CFX1)に加えられ(流れ込むことを許される)、そのコンデンサは充電を開始する(コンデンサの端子間電圧が高くなる)。コンデンサCFX1/CFX2の端子間電圧が比較器の基準電圧Vbgに達すると、比較器316a/316bの出力は低くなり、線319a/319bにおけるラッチ318a/318bの出力の状態を変更する。このようにして、弛張発振器312はコンデンサCFX1とCFX2の立上がり時間、および重要なことに、コンデンサCFX1とCFX2に供給されているスケールさせられた電流I(T)/Nにより決定される周波数Foscで発振する。より大きい電流I(T)/Nが供給されると、コンデンサCFX1とCFX2の電圧は速く立ち上がって、しきい値電圧と速く交差し、弛張発振器312を速く発振させることにより、線319aにおける信号の周波数Foscを高くする。線319aにおける信号は図示のようにインバータ320により反転されて周波数Fosc’を線321に供給する。
【0084】
後で一層詳しく説明するように、発振器312は、温度検出モード(時刻t0とt1の間)および圧力検出モード(時刻t1とt2の間)の相互に排他的な2つのモードで動作するように、タイミング発生器/シーケンサにより制御されている。発振器の出力信号の周波数Fosc(およびFosc’)はそれらのモードのおのおのにおいて異なる。
温度指示値および圧力指示値の発生
空気入りタイヤに組合わされているトランスポンダ200の状況の例では、空気入りタイヤ内の圧力を決定することが主として望ましい。たとえば、通常の乗用車は約221kPa(約32psi)で適切に膨脹できる。タイヤ膨脹圧は通常は「常温」圧(タイヤが走行により発熱していない時に測定される圧力)として指定されており、かつ監視装置は最もありそうなことに使用中したがって「温度が高い」タイヤ内で測定した圧力を通知するので、空気入りタイヤ内部の膨脹媒体(たとえば、空気)の温度を決定することが2番目に望ましい。温度測定値を用いて、監視装置(たとえば、106)はたとえば測定圧力を、理想気体の法則(PV=μRT)を基にした簡単な計算で「常温」圧に変換できる。この「常温」圧は「温度とは独立の」圧力と考えることができ、それはタイヤ内に含まれている空気の質量を示すものでもある。トランスポンダ200を参照して、それが生ずるハイブリッド「圧力」測定値はそのような気体法則計算に使用できる前に真の圧力のみ測定値に変換できねばならない(後で詳細に説明する種々の計算により)。
【0085】
たとえば、車両の空気入りタイヤがそれの指定圧力で走行したならば約10%の燃料消費量減少を実現できるものと見積もられている。プロのトラック運転者はこの問題に通常敏感で、タイヤ圧を頻繁に点検および調整しているが、乗用車の平均的な運転者は、たとえばタイヤが目に見えるほどへこむまでタイヤ圧に気を付けることはしばしば少ない。そのような場合には、自動車のダッシュボードにおけるLCD(液晶表示器)指示がタイヤの動的な膨脹情報を運転者に提供する。その車両の空気入りタイヤにはここで説明しているトランスポンダなどのトランスポンダが装着されている。重要なことのうちで、種々のタイヤ製造者により市販されている「パンクしても走行できる(ランフラット)」タイヤの出現がある。グッドイヤーのEMT(移動性延長技術(extended mobility technology))シリーズのタイヤが「ランフラット」タイヤの一例である。それの全体的な目的は、パンクした(「平らになった」)タイヤで、「妥当な」運転速力(たとえば、時速約144キロメートル(時速約60マイル))で、自動車の正常なコントロールを維持しながら、約120キロメートル(約50マイルまで)走行できるようにすることである。そのようなランフラットタイヤは一般に周知であるので、それ自体は本発明の一部を構成するものではない。ランフラットタイヤで「パンクした」状態で走行している場合には、タイヤが実際に「パンクしていて」、運転者の最も近くの都合の良い場所で(およびランフラットの走行距離限度以前に)修理する必要があることを視覚的にまたは音声(ピーという音)で主として指示されている「借りている時間」だけ運転者が運転している事実を運転者が警報されることが特に重要である。
【0086】
弛張発振器312が動作できるようにすることにより、それの出力信号の周波数Fosc(およびFosc’)はトランジスタQ1の(検出された)絶対温度の関数である。これは温度検出モード動作と圧力検出モード動作においてそうである。
【0087】
温度検出モードでは、およびコンデンサCFX1とCFX2の容量値が等しい、これは好ましい、場合には、弛張発振器312は対称的な(平衡された、50%)デューティサイクルを持つ。圧力検出モードでは、圧力検出コンデンサ(Cp)218がコンデンサCFX2の端子間の半導体スイッチ350により切り替えられる。それは弛張発振器312のデューティサイクルと出力周波数Fosc(およびFosc’)を変化する。
【0088】
圧力検出モードでは、固定コンデンサCFX1とCFX2のみが交互に充電され(および放電され)て、周期が周囲温度に比例する50%のデューティサイクルとなる。圧力検出モードでは、圧力検出コンデンサ(Cp)218が発振器312の位相経路314bへ切り替えられる。したがって、所与の温度に対しては、発振器の周期の最初の半分で位相経路314aは温度検出モードにおけるのと同じように振る舞い、発振器の周期の第2の半分では位相周期314bが、固定コンデンサCFX2の容量値プラス圧力検出コンデンサ(Cp)218の容量値に比例するようにして振る舞う。これは、実際に、発振器の動作を遅くしてそれのデューティサイクルを変化する。デューティサイクルの変化はCpとCFX2の比を示す。したがって、2つの周期(回路中にCpがある場合と無い場合)の比から、追加の容量Cpがどのようであるか、したがって検出された圧力がどのようであるかを計算することは容易である。後で詳しく説明するように、圧力検出モードにおける発振器出力の温度依存性は、直線的なやり方で、完全に解消できる。
【0089】
圧力検出コンデンサ(Cp)218が発振器回路に切り替えられた時の発振器の動作が「低速になる」と、所与の圧力測定ウィンドウ(たとえば、Wp)中のカウントする発振器の出力パルスが、同様な温度測定ウィンドウ(たとえば、W)中のカウントする発振器の出力パルスより比較的少なくなる(出力周波数が低くなる)ことが避けられない。いいかえると、「低速になった」発振器はパラメータ測定値を示すカウントが集められる速さを低くする。圧力測定ウィンドウ(Wp)中に発生されたカウント(Np)の分解能(数)を高くするために、適切な数の圧力カウントを獲得できるようにするように、圧力測定ウィンドウ(Wp)のサイズを大きくできる(持続時間を変化できる)。これは、圧力検出モードにおける圧力測定ウィンドウ(WP)(時刻t1とt2の間)の終りを定める時刻t2の値を、その値を制御するタイミング発生器/シーケンサ回路226により単に大きくする(他の場合よりも)ことにより容易に行うことができる。たとえば、温度測定ウィンドウW(時刻t0とt1の間)を何ミリ秒のオーダー(たとえば、8ミリ秒)にできる。あるいは、電流スケーリング回路310から弛張発振器312へ流れ出るスケールさせられた電流(I(T)/N)を圧力測定ウィンドウ(Wp)中に増加できるようにして、弛張発振器312の基本周波数を高くすることにより、圧力カウントの全体の分解能を高くすることを意図している。これは、たとえば、トランジスタP5より大きさ(面積)が小さいトランジスタP6の場合に、トランジスタP6の代わりにトランジスタP6′(図示していない)を単に導通状態にすることにより容易に行うことができる。トランジスタP5とP6の面積比が1に近く(すなわち、減少度合いが小さい)、弛張発振器312への電流が増大し、したがって、それのカウント速度が高くなるように、トランジスタP6′の面積はトランジスタP6の面積より広い。他のトランジスタP6′のそのような導通化は、圧力検出コンデンサ(Cp)218の切り替えを行う前記スイッチ350に匹敵するスイッチ(図示していない)で容易に行われる。本発明が最も近く属している技術の当業者は、圧力検出コンデンサ(Cp)218が発振器回路に接続された時に発振器の「低速化」をどのようにして避けるかを、この明細書における教示に従って容易に理解されるであろう。
圧力応答性の最適化
空気入りタイヤの圧力監視時に最高に重要である正確な圧力指示値を獲得(および表示)するのに、トランスポンダ回路のあるパラメータを決定してそれの圧力応答性を最高にする、したがって、外部読取器/質問器(たとえば、106)により表示される圧力指示値の確度を高くすることができる。
【0090】
上記のように、このトランスポンダは、外部読取器/質問器106へ送られる12ビット語の値を変化することにより圧力センサすなわち圧力検出コンデンサ(Cp)218の変化する容量に応答する。この2進語は、タイミング発生器シーケンサ226により設定された圧力測定ウィンドウ(Wp)(時刻t1とt2の間)中の発振器周波数のカウントである。したがって、圧力応答は圧力検出コンデンサ(Cp)218の容量の単位変化当りのカウント変化として記述できる。
【0091】
トランスポンダの圧力応答性(および分解能)はいくつかの要因に依存していることが判明している。それらの要因のおのおのは解析できる。たとえば、
(a)温度測定ウィンドウWより大きくするために圧力測定ウィンドウWpを大きくすると、圧力検出コンデンサ(Cp)218の所与の値に対して圧力カウントNpが増加して、圧力測定中に生ずる発振器の周波数を温度測定時と比較して比較的低くする(上で詳しく述べたように)。
【0092】
(b)発振器312に供給されるスケールされた電流I(T)/Nを増加すると、圧力検出コンデンサ(Cp)218の所与の値に対して圧力カウントNpがそれに比例して増加する。
【0093】
(c)コンデンサCFX1とCFX2の少なくとも一方の値を増加すると、圧力検出コンデンサ(Cp)218の所与の値に対して圧力カウントNpがそれに比例して増加する。
【0094】
(d)スケールされた電流I(T)/Nを増加すると、(圧力検出コンデンサCpの所与の値に対して)圧力カウントNpが、コンデンサCFX1とCFX2の値の減少よりも速く、その増加に比例して増加する。
【0095】
(e)スケールされた電流I(T)/Nを増加すると、圧力測定ウィンドウWp中にのみ電流を増加できなければ、圧力カウントNpと温度カウントNが増加する。
【0096】
(f)コンデンサCFX1とCFX2の少なくとも一方の値を減少すると、それらのコンデンサの一方のみが変化されたとしても、圧力カウントNpと温度カウントNが増加する。
【0097】
一般的な提案として、圧力カウントNpの増加が望ましい。しかし、本発明が最も近く属している技術の当業者は、ICチップのある回路の性能にとって受け容れることができないほど高くなることがある周波数で圧力カウントを増加するには実際上の上限があることを容易に理解されるであろう。
パラメータの測定
図3Aはトランスポンダにおける温度測定値と圧力測定値の獲得の最終段階に含まれる部品を示す。弛張発振器312により出力された信号Fosc’は線321(253参照)を介してデータ獲得回路254の2つのANDゲート360、362の入力端子に供給される。測定された温度を示すカウント(「データ」または「指示値」)Nを線255を介して温度レジスタ232に負荷するように、温度測定ウィンドウ(W)中に信号(「Capture Temp」)がタイミング発生器/シーケンサ226によりANDゲート360の他の入力端子に供給される。測定された圧力を示すカウント(「データ」または「指示値」)Npを圧力レジスタ234に負荷するように、圧力測定ウィンドウ(Wp)中に他のデータ信号(「Capture Press」)がタイミング発生器/シーケンサ226によりANDゲート362の他の入力端子に供給される。各レジスタ232、234には入来発振信号Fosc’を保存されるカウントに変換するためにカウンタ(図示していない)が組合わされている。その後で2つのカウントN、Npはレジスタ232、234からMUX240を介して上記変調回路246に桁送り出される。
【0098】
トランスポンダに電力が供給されると、温度と圧力が連続して測定され、それらの測定値はデータ流中のデータ語として外部読取器/質問器106へ送られる。たとえば、温度パラメータと圧力パラメータのおのおのを、より大きい(たとえば、144ビット)データ流の選択された(既知の)部分中の12ビットデータ語として読取器/質問器106へ送ることができる。全データ流中の1ビットをMTMSスイッチ220の状態(たとえば、「閉じられている」または「開かれている」)に専用できる。トランスポンダにより外部の読取器/質問器へ送られるデータ流の例についての完全な説明を以下に図3Cを参照して説明する。
【0099】
温度は、周期tTを有する固定されている時間(t0からt1までの時間のウィンドウW)の間に発振器312から出力されたサイクルの数を数えることにより適切に測定される。たとえば、ダウンカウンタ(図示していないが、温度レジスタ232に組合わされている)を発振器によりクロックして、ウィンドウWの周期tの終りに温度カウントNを発生できるようにする。温度カウントNと温度との間の関係は、この実施形態の回路300については、ほぼ直線的である。
【0100】
同様に、周期tを有する固定されている時間(t1からt2までの時間のウィンドウWp)の間に発振器312から出力されたサイクルの数を数えることにより適切に測定される。たとえば、ダウンカウンタ(図示していないが、圧力レジスタ234に組合わされている)を発振器によりクロックして、ウィンドウWpの周期tの終りに圧力カウントNpを発生できるようにする。圧力カウントNpと圧力との間の関係は、この実施形態の回路300については、実際の圧力と温度との予測できる関数である。以下に説明するように、温度カウント(N)と「圧力」カウント(Np)を取り扱うことによりこのハイブリッド圧力−温度値を圧力のみの値の決定に使用できる。
読取器/質問器における圧力のみの指示値の獲得
発振器312の基本周波数はICチップ(たとえば、202)で設定され、かつ上記のように、それは温度に依存している。したがって、圧力応答すなわち圧力カウントNpは温度と圧力との関数(ハイブリッド)であり、NpとCpの関係は非直線である。したがって、圧力応答を計算するために一次方程式を用いると、測定される圧力の範囲にわたって大きな誤差を生ずることは避けられない。しかし、限られた範囲の圧力、たとえば、約138kPa(20psi)の範囲、にわたって測定するためには、一次方程式を使用することは受け容れることができる。より良い近似を多元方程式を用いて獲得できるかもしれないが、これは読取器/質問器の論理を複雑にし、応答を遅くして、追加の較正定数を必要とする。
【0101】
上記トランスポンダ回路を用いることの利点は、N/Npと圧力センサ容量Cpの関係が直線的で、読取器/質問器106が圧力を計算するためにそれにより使用される方程式(アルゴリズム)中に温度補償項を必要とせず、それにより読取器/質問器の設計を極めて簡単にする。(これは、圧力と容量の間にほぼ直線的な関係を持つ圧力センサ(Cp)218の使用を仮定もしている。)この有利な「比率計的」関係は次の式により容易に示すことができる。
【0102】
一般に、
カウント=カウントされるウィンドウ時間(t)*周波数(F)
H=1/周期
充電時間=V*C/I
電流Iで電圧Vまで充電すべき容量がCであるコンデンサに対して。
【0103】
周波数がFosc’の出力信号を持つ弛張発振器312の周期は、2つの位相経路314aと314b中の容量の充電時間の和であるので、CFX1とCFX2を有するそのような弛張発振器からのカウントについての一般的な方程式を得るために上の式を取り扱うことができる。たとえば、
カウント=t/(V*CFX1/I+CFX2/I)
=t*I/(V*(CFX1+CFX2))
温度カウントと圧力カウントに値を代入すると
=(t*I(T)/n)/(Vbg*(CFX1+CFX2))
・・・[式A]
Np=(t*I(T)/n)/(Vbg*(CFX1+CFX2+Cp))ここに、nとnは、温度測定ウィンドウと圧力測定ウィンドウ中で異なることが有り得るスケールされた電流I(T)/N中の換算係数Nの値である。
【0104】
式NをNpで除すと
/Np=(t/t)*(n/n)*(CFX1+CFX2+Cp)/(CFX1+CFX2
すなわち、
/Np=(t/t)*(n/n)*(1+(Cp/(CFX1+C
FX2))
・・・[式B]
が得られる。この式Bの右辺の項は、圧力検出容量Cpを除いて全て定められた定数であるから、N/NpとCp(したがって、圧力)の間に直線関係が存在することがわかる。これは、N/Npが圧力の関数だけであって、温度変化やコンデンサ充電電流の変動には左右されないことを意味する。
【0105】
上で説明した応答最適化ステップのいずれも利用されなければ、コンデンサCFX1とCFX2が同じ値CFXを有し、測定ウィンドウWとWpは同じ時間幅t=t=t(たとえば、8.192ms)を持ち、電流減少係数nとnは同じ値Nを持つので式Bを簡単にできる。
【0106】
/Np=1+(Cp/2*CFX
式Aから、温度カウントNと電流I(T)(これは温度に比例する)の間に直線関係が既に存在することがわかる。
【0107】
測定式AとBの両方で直線関係が存在することがわかるが、それらの式の勾配と交差は、所与のトランスポンダの構成に特有の多数のパラメータの複雑な組合わせであって、製造誤差のために所与の構成の各トランスポンダごとでさえも異なる傾向がある。本発明の簡単な実施形態では、トランスポンダはカウントNとNpのみを読取器/質問器へ送ることができ、温度と圧力を決定するために読取器/質問器は勾配と交差について仮定された平均値を使用せねばならない。これは大きな不正確さをもたらすので、ここで説明している好適な実施形態は較正定数をトランスポンダのメモリ(たとえば、236)に保存し、読取器/質問器(たとえば、106)が、測定値を発生する個々のトランスポンダについて特に用意され/最適にされた一次方程式を用いて温度と圧力を正確に計算できるように、それらの較正定数を測定カウントNおよびNpと共に送る。読取器/質問器の例(たとえば、106)で使用される一次方程式は周知の「ポイント勾配(point−slope)」形である。
【0108】
y−y=m(x−x
ここに、
(x,y)は決定点(defining point)、
mは勾配である。
勾配mは直線(x,y),(x,y)上の任意の2点から決定できる。
【0109】
m=(y−y)/(x−x
xとyについて代入すると、温度直線についての特定の式が、
−NT1=m(T−T
になる。温度Tについて25°Cなどの値を選択すると式
−NT25=m(T−25)
を生ずる。この式をNについて解くと温度応答直線について次の式を生ずる。
【0110】
=m(T−25)+NT25
ここにこの温度応答直線の勾配m
=(NT2−NT1)/(T−T
である。読取器/質問器が仮定されている決定点温度(たとえば、25°C)を「知っている」限り、読取器/質問器へ送られる較正定数、すなわち、決定点温度カウントNT25と、勾配mを用いて、温度カウントNの受けた値から温度(T)を計算できる。送られた圧力(および温度)カウントと圧力較正定数から圧力を決定するために同様な方程式の組を適用できる。上で注意したように、圧力のみの指示値は、圧力カウントNpそのものの代わりに比N/Np(温度カウントを圧力カウントで除した)を用いる一次方程式から最も良く決定できる。
【0111】
較正定数は、各トランスポンダを制御された、既知の温度条件と圧力条件の組合わせにさらすことと、そのトランスポンダにより発生された温度カウントNと圧力カウントNpの対応する組合わせを記録することを含んでいる較正プロセスで決定される。それらの較正試験結果についての計算により4つの較正定数が決定される。それらの結果はその後でトランスポンダメモリ(たとえば、236)に保存される。4つの較正定数は温度対温度カウントNの直線応答についての勾配と決定点、および圧力(のみ)対カウント比N/Npの直線応答についての勾配と決定点を表す数である。
信頼できる電源電圧および基準電圧の発生
上記したように、比較器316aと316bの正(+)入力端子(端子)は一緒に接続されて、1.32ボルトなどの温度とは独立の基準「バンドギャップ」電圧Vbgに設定されている。また上で述べたように、線309′における電源電圧(Vdd)は、電流スケーリング回路310と弛張発振器312のための安定な動作電圧であるように、多数の基準バンドギャップ電圧(Vbg)として供給できる。
【0112】
図3Bは電源電圧Vddの発生に適する回路370を示す。温度とは独立の計算できるバンドギャップ電圧Vbgは、ICチップの製造に採用されている処理技術を基にして、選択されたプロセス(たとえば、CMOS)に固有のものとして、容易に得ることができる。このバンドギャップ電圧Vbgは、利得を持つ帰還ループに、図示のように接続されている演算増幅器の正(+)入力端子に供給されて、バンドギャップ電圧Vbgの整数倍として電源電圧Vddを供給する。
データ流の例
上記のように、トランスポンダからの情報(データ)はデータ流の形で外部の読取器/質問器へ送られる。そのデータ流の一部が温度カウントNであり、他の一部が圧力カウントNpであり、別の一部がMTMSスイッチ(220)の状態(たとえば、「閉じられている」または「開かれている」)を表す。データ流の残りの部分には、所与のトランスポンダのID情報(たとえば、一連番号)、較正定数等などのそのトランスポンダに個別の情報を含むことができる。
【0113】
図3Cは、トランスポンダ200内のメモリ(たとえば、238)に保存される情報と、トランスポンダ200により外部の読取器/質問器106へ送られるデータ流とのアーキテクチャの例を示す。トランスポンダ心臓部204のメモリ238はたとえば144ビットのアドレス空間を有する。そのアドレス空間はプログラム可能なメモリの119ビット(百十九)と、MTMSスイッチ220の状態に専用される1つのアドレス場所−プログラム可能なメモリのそれらの120(百二十)ビットはEEPROM136を構成している−プラスそれぞれ12ビットの温度レジスタ232および圧力レジスタ234とを含んでいる。
【0114】
プログラム可能なメモリの119ビットのおのおのは、同期(sync)パターン情報と、一般的なデータと、誤り検出コードと、温度および圧力較正データとを含めたデータの任意の組合わせ付きで別々に書込むことができる。EEPROMは「ブロックで書込ことができる」。これは、「書込みモード」ではEEPROMの120ビットの全てが「1」の論理(2進)値にプログラムされることを意味する。個々のビットは「消去」できる(チップをビットの物理的アドレスにロックし、チップを「消去」モードに置くことだけで「0」の論理値にセットされる)。アドレス場所は保存される。
【0115】
この例では、最初の12のデータ場所(行1の000..011)は同期のために留保される。次の71のデータ場所(行2ないし7における012..082)は一般的な情報と、CRC(周期的冗長性検査)などのデータ妥当性検査アルゴリズムのためである。次のデータ場所(083)はMTMSスイッチ220の論理レベル(状態)を含む。論理値「1」はMTMSスイッチが開かれていることを示し、論理値「0」はMTMSスイッチが閉じられていることを示す。
【0116】
上記のように、各トランスポンダユニットはタイヤ内に装着される前に適切に較正される。次の12のデータ場所(行8の084..095)は温度較正(たとえば、決定点)データ(「TEMP COMP」)を保持する。次の12のデータ場所(行9の096..107)は圧力較正(たとえば、決定点)データ(「PRESS COMP」)を保持する。次の12のデータ場所(行10の108..113および114..119)はそれぞれ温度および圧力較正(たとえば、勾配)情報を保持する。
【0117】
上記のように、温度と圧力のためのカウントNとNpが発生されると、それらは全体のメモリ空間の行11と12に保存される。それらの行は温度レジスタ232と圧力レジスタ234にそれぞれ対応する。あふれおよび短絡などの誤り状態を指示するために種々の所定の値を保存できる。
動作周波数および変調
本発明のトランスポンダは特定のどのような周波数にも限定されない。動作周波数の選択は、トランスポンダが監視する対象に関連してそのトランスポンダが装着される場所や、読取器/質問器アンテナ(108)の場所、および全RF周波数スペクトラムの選択された部分に前記した種類のデータ送信を許可する(逆に制限する)関連する国家の法規などの要因に大きく依存している。
【0118】
アメリカ合衆国におけるトランスポンダの動作に適切な動作周波数の例は60KHzないし490KHzである。
【0119】
このトランスポンダは読取器/質問器106により第1の「質問」周波数(Fi)でポールでき(かつ電力を供給でき)、データ流を、質問周波数の制数倍または整数で分割されたものであることが都合が良い第2の「データ搬送波」周波数(Fc)で読取器/質問器へ送ることができる。たとえば、Fc=Fi/2またはFc=Fi/4である。データ流が読取器/質問器へ送られる周波数(Fc)はデータ伝送速度とは独立している。そのデータ伝送速度はクロック発生器224およびボーレート発生器248により設定される。しかし、本発明が最も近く属している技術の当業者は、利用できるボーレートの範囲は質問周波数(Fi)より通常大幅に低いことを認識するであろう。ボーレートは読取器/質問器の質問周波数(Fi)の整数で分割されたものなどの、その質問周波数(Fi)から取り出すことが好ましい。たとえば、ボーレートはFi/32に設定できる(またはFc=Fi/2の場合には、ボーレートはFc/16に設定できる)。
【0120】
たとえば、質問周波数(Fi)を125KHzに、データ搬送波(Fc)を62.5KHz、または質問周波数の半分に設定できる。
【0121】
他の例では、13.56MHzの質問周波数(Fi)が適切であることが判明している。
【0122】
図3Cを参照して説明したデータ流の例などのデータ流は変調器回路246によりアンテナ212に供給され、読取器/質問器106へ送られる。振幅変調(AM)、周波数変調(FM)、周波数変位キーイング(FSK)、および位相変位キーイング(PSK)を含めた適切な任意の変調法を採用することが本発明の範囲内である。しかし、位相変位キーイング(PSK)が好ましい。AM変調はデジタル伝送には特に良く適してはいない。FMまたはFSKなどの周波数変調法はデータで変調されたトランスポンダ出力信号を空気入りタイヤ(たとえば、104)の媒体を通じて伝播させることには多少問題がある。
比対信号強度
圧力指示のために比N/Npを使用することには別の利点が在る。その理由は、比をとられた値が読取器/質問器とトランスポンダの間の結合の変化に対して、NまたはNpの測定値を単独に取る場合におけるよりも、感じないことが確認されているからである。これが、測定カウント(縦軸394)と電力(横軸392)のグラフを示す図3Dに示されている。本発明の好適な実施形態において説明したトランスポンダなどの受動トランスポンダ200については、トランスポンダ電力は読取器/質問器(たとえば、106)からのRF信号により供給される。長すぎる距離または妨害を含めた送信問題または受信問題によってRFの結合の強さが弱くなったとすると、トランスポンダ22回路中の電力が減少することがある。ある値PWRより低い電力レベルでは、弛張発振器312は正常周波数信号より低いFosc’を出力し、したがって、温度カウントNと圧力カウントNpを、所与の温度および圧力に対して当然得られる値よりも小さくする。この影響が、最小電力PWRより下へ延長している温度カウントNの下向き曲線396と、圧力カウントNpの下向き曲線398により示されている。幸運にも、小電力の影響は両方のカウントに対して比例的に同じであるので、比N/Np(曲線399)はトランスポンダ200を動作させるために必要な最小電力PWRまでの全ての電力レベルに対して比較的安定したものになる。したがって、トランスポンダにおけるN/Npの比を取られた値を(較正中に)決定し、較正データを保存することにより、読取器/質問器とトランスポンダの間の結合の変動にあまり影響を受けない圧力のみの指示値を決定する性能が簡単にされ、かつ一層信頼できるものにされる。
改良、一般的
本発明は、上で説明した従来のモデル「3070C」トランスポンダ200の改良を実現する新規な「RFIQ」トランスポンダ400(図4A参照)を取り扱うものである。いくつかの改良が施されており、かつ下記のものを含めた新規な特徴が得られたが、得られた特徴はそれらに限定されるものではない。
・小消費電力、
・電力または周波数についての発振器の安定度の向上、
・温度カウントおよび圧力カウントの分解度の向上、
・静電放電(ESD)防止が2200V以上に向上、
・プログラム可能な変調度(RF信号に加えられるPSK変調の大きさ)の向上
・プログラミングおよび試験のための外部接続ピンの数の減少、
・デジタルおよびアナログでの試験可能性の向上、
・データ流の192ビットへの増加、
・プログラム可能なEEPROMの156ビットへの増加、
・取り付けられているアンテナによりプログラムが可能であること、
・パリティ6ビット−N、Npデータの各4ビットごとに1ビット、
・圧力と温度について指示カウントを独立に最適にするためにプログラム可能に電流を減少できること、
・トランスポンダの「能動」実現に使用するために3V電池で電力を供給するモード(「能動タグ」、
・電力オン・リセット
・試験ピンへのベースバンドデータ出力。
解決すべき諸問題
特に、上記従来のトランスポンダ200の構成には一般的な問題が存在する。本発明の主題である改良によってそれらの問題のいくつかは改良される。
【0123】
・所望の圧力範囲や所望の温度範囲に対して圧力カウントNpと温度カウントNを最適にするために従来の構成のトランスポンダ200の弛張発振器を調整できるが、その調整は集積回路の製造中に行えるだけである。集積回路の製造後にそれらのカウントNpとNを最適にする方法を得ることが望ましい。
【0124】
・従来の構成のトランスポンダ200を使用する(受動トランスポンダして)場合には、始動中などの電力入力が少なすぎる時、または読取器/質問器から遠く離れている時、に不正確な結果が送られることがある。(たとえば、図3D参照。)また、従来のモデルは、任意の強さの質問信号を受けると変調(送信)を直ちに開始し、データ語中の無作為の場所で送信を開始する。最初の信号(遠方の読取器/質問器からの)が弱かったとすると、電圧供給が妥当な温度指示値と圧力指示値を生ずるには不十分なことがある。また、十分な電力レベルが生ずる前に変調が開始されたとすると、信号変調の電力消費が不十分な電力の諸問題を悪化させる。弛張発振器が定められた一貫した状態で各サイクルごとに始動しないとすると別の問題が起きる。
【0125】
・従来の構成のトランスポンダ200は、集積回路の製造中に決定される一定の変調度(RF信号の変調の大きさ)を有する。アンテナ(「コイル」)と読取器/質問器106の種々の組合わせに対して、および種々の動作状態に対してトランスポンダを最適にするやり方を得ることが望ましい。また、安定度を高くするためにあるトランスポンダの応用がアンテナ210の端子間に外部ツェナークランプを用いるが、そのツェナーは従来の構成のトランスポンダ200の「読取りを制限」させる。
【0126】
・従来の構成のトランスポンダ200は製造中にそれのある動作特性を調整できる(たとえば、トランジスタのサイズを調整して電流を調整する)が、それらの製造中の変化は永久的なものであって、トランスポンダごとに変更することは容易ではない。更に、プログラム可能なメモリ(たとえば、EEPROM)で調整設定を行うとすると、電力増大中にそれらの設定を、行デコーダ(242)と列デコーダ(240)を通るのではなくて連続して、アクセスすることに他の問題が生ずる。
【0127】
その他の改良、および問題解決は以下の説明から明らかになるであろう。
一般的な説明
改良されたRFIQ(商標)トランスポンダ400(200、102に匹敵する)は、低周波「受動」(RF信号により電力を供給される)トランスポンダまたは「能動」(電池で電力を供給される)測定装置として温度と圧力を測定できるカスタムCMOS、低電圧集積回路(「IC」、または「チップ」)である。このICは、(a)部品が能動であるか受動であるか、(b)温度および圧力分解度を調整するか、および(c)変調度およびコイルのクランピング強度(受動モードにある時)、を決定するプログラム可能なトリミングを行う。
【0128】
受動モードでは、このICは、トランスポンダのアンテナ入力端子に結合されている外部LC回路に結合されている読取器/質問器RF信号から電力を発生する。このトランスポンダは受けた信号を用いて電力およびオンチップクロックを発生する。トランスポンダはアンテナのインピーダンスを変調する、これは「後方散乱された変調」として知られている、ことによりそれのメモリ内容を読取器へ送り返す。読取器は戻されたデータを復調してセンサ識別(「ID」)およびセンサデータならびにそのデータを解釈するために必要な較正定数を獲得する。
【0129】
トランスポンダは196ビット直列位相変位キーされた(「PSK」)データ流を16個の12ビット語として送る。最初の12ビットはプログラム可能な同期語であり、各同期ビットは1.5ビット幅である。次に、正常なビット幅であるEEPROMの144ビットが送られる。144ビットはトランスポンダの特有のIDコードと、温度および圧力データの較正定数と、誤り検査のためのCRCとを含んでいる。その後でトランスポンダは36ビットのデータを送る。その36ビットは、12ビットの温度カウント(N)、12ビットの圧力カウント(Np)、12ビットの語で構成されており、その語は、1としての使用されていない5ビットと、温度センサに対するMTMSの状態を示す1ビットと、偶数パリティの6ビットとで構成されている。パリティビットは、それぞれ1ビットがNpデータとNデータの4ビットごとに対するものである。
【0130】
能動モードでは、トランスポンダは外部のハードウェアにより制御しなければならない。その制御ハードウェアはICに電力を供給し、クロック信号をCLKパッドまたはVBパッドを介して提供する。固定されている期間中に温度と圧力が集められるようにクロックは正確なクロック速度で与えられなければならず、したがって、温度および圧力の最高の分解度を達成するためにハードウェアはビット当りのクロッキング時間を最適にできる。このICは能動モードでは2.8Vのように低い電圧まで動作できる。
【0131】
受動タグまたは能動タグ(トランスポンダ)として、ICは組立て後に電力を供給して4ピンインタフェースを介してチップと交信することにより試験できる。このインタフェースによって使用者はチップのEEPROMをアクセスできると共に、チップの機能を試験できる。EEPROMデータは読取り、クリヤ、またはプログラムができ、発振器は周波数を直接読み取ることにより試験される。チップセンサ発振器も試験でき、能動モードで温度と圧力を読み取る第2の方法を提供する。
RFIQ(商標)トランスポンダ回路の概観
図4Aは図2に匹敵する図であって、改良されたRFIQ(商標)トランスポンダ400(102、200を参照)の関連する部分のブロック図であり、以後の信号と、端子と、機能ブロック(区画)と、それら相互間の接続を示している。この例示されている装置は圧力と温度を測定することが好ましい実施形態として説明するが、適切なセンサを採用してその他のパラメータを測定することを含むことも本発明の範囲内である。
【0132】
トランスポンダ400は破線402(202参照)内に示されている単一の集積回路(IC)チップ上に実現することが好ましい。そのチップにはいくつかの外部部品が接続される。図中のその他の破線はトランスポンダ400の大きな機能「ブロック」(「区画」)を示し、アドレス可能なメモリのブロック438(238参照)と、センサインタフェース部406(206参照)とを含んでいる。
【0133】
ICチップ402の外部の部品は、アンテナ(コイル)412と、このコイル412の端子間に接続されてLC共振タンク回路を構成しているコンデンサ414と、外部精密抵抗(Rext)416と、外部圧力検出コンデンサ(Cp)418(218参照)と、外部の最高温度測定スイッチ(MTMS)420(220参照)とを含んでいる。コンデンサ414とスイッチ420は使用するか否かは随意である。各外部部品は図4Aに示されているような適切にラベルがつけられている接続パッド、すなわち、アンテナ装置410のためのVAとVB、精密抵抗416のRext、圧力検出コンデンサ418の高い側のためのCp、および最高温度測定スイッチ420の高い側のためのMTMSを有する。アナログ外部部品Rext、Cp、およびMTMSの接地はアナログ接地AGNDパッドを介して行うべきである。他の接地パッド(GND)は外部デジタル接続の接地のためのものである。残りの接続パッドは、上記のように、トランスポンダ400の能動動作モードまたは試験動作モードに使用するためのものである。
【0134】
アンテナ412はコイルアンテナ、ループアンテナ、ダイポールアンテナ等の形式とすることができる。アンテナはトランスポンダが受動モードにあるときに主として使用される。あるいは、トランスポンダ400が能動モードにある時は、アンテナ装置410は無くてもよく、トランスポンダ400により出力される信号はDATAパッドへの直接接続を介して行うことができる。下記の主要部では、コイルアンテナを有し、受動モードで使用されるトランスポンダについて説明する。
【0135】
トランスポンダIC402は、アンテナ412により受信された周波数がFi(たとえば、125KHz)である無変調の搬送波信号などのRF信号を処理し、受動モードで動作しているトランスポンダ400に電力を供給するために使用できるように、その受信したRF信号を整流するインタフェース回路422(222参照)を含んでいる。信号処理は、トランスポンダ400のためのタイミングパルス/クロックパルスを発生するために使用するのに適切な形の入来信号に対して行うこと、およびアンテナ装置410で送信するために搬送波信号に変調を加えることを含む。
【0136】
整流された搬送波信号は、IC402の基板の降伏を阻止するために最高約13.0ボルトに制限される。制限された整流信号は、VPPパッドで読み取ることができる0から13ボルトの範囲の電圧Vppを有する。その後で電圧Vppは最高6.5ボルトまでにシャント調整される。その調整された電圧はVXXパッドで読取ることができる電源電圧(または「入力電圧」)Vxxと名付けられる。IC402内のCMOSに損傷を加えるおそれがあるほど十分に高くなることを阻止するために、Vxx電圧レベルは調整される。
【0137】
電圧Vxxは電力供給オン・リセット(POR)回路482(これはこのモデルのトランスポンダには新しいものである)と、ICチップ402に種々の電圧を供給するための調整およびバンドギャップ基準回路423(222参照)とに供給される。
【0138】
電力供給オン・リセット回路482は、トランスポンダ400がセンサの指示値の記録を開始し、またはトランスポンダ400が適切に機能できるようにするために十分な電力が、受けた搬送波信号によって供給されるまでデータを送るようにするために設けられている。POR回路482は電圧Vxxレベルを評価して、電圧Vxxが十分であると見なされるまで出力されないリセット信号を出力する。所望によっては、試験のためなどに、リセット信号はチップ402の外部からRES接続パッドを介して加えることができる。
【0139】
受動モードでは、電源電圧Vxxが十分である(POR回路482により決定されるが、最低4ボルト)限り、調整およびバンドギャップ基準回路423は電圧Vxxを調整して、動作範囲が2.8V(安定な弛張発振器452の最低電圧)から約3.5Vである、約3ボルトの調整されたアナログ電源電圧Vccを供給する。デジタル電源電圧Vddは、電圧Vccに接続されているソースホロワにより調整され、電圧Vccとは独立に電流を供給できる(先に説明した図3Bに示されている以前の方法に匹敵する)。電圧Vddは通常はVccより1しきい値だけ低くて、約2.5ボルトであり、1.2V(論理およびメモリが安定に動作するための最低電圧)から約3.5Vの範囲であって、読取り中にデジタル論理およびEEPROM436(メモリ)アレイ436に供給される。トランスポンダのプログラミング中は、電圧VccとVddはパッドVPPに供給される電力により影響を受けない。電圧VccとVddはそれらに対応して名付けられているパッド(VCCとVDD)を介して外部から読取ることができる。また、能動(電池で電力を受ける)モードでは、パッドVCCとVDDに外部電力を供給することにより調整器は無くて済む。最後に、安定な基準電圧を必要とする回路のために、調整およびバンドギャップ基準回路423は温度とは独立のバンドギャップ電圧Vbgを供給する。その電圧Vbgは、チップ電源電圧Vxxが最低動作レベルより上である限り、その電圧Vxxとは独立している。調整およびバンドギャップ基準回路423は、たとえば、−40ないし150°Cのトランスポンダ動作範囲にわたって約1.20ボルトの温度とはほぼ独立している電圧Vbgを出力する。バンドギャップ電圧VbgはVxx、VccおよびVdd調整器423と、弛張発振器452および電力供給オン・リセット回路482により基準電圧として使用される。
【0140】
インタフェースおよび整流回路422は受けたRF信号、それが受けた入力周波数(Fi)が好ましい、を、ICチップ402における他の回路のタイミングを制御するためにクロック信号を既知のやり方で発生するタイミングおよびクロック発生器回路424(224、226参照)に供給する。発生されるクロック信号はデューティサイクルが50%で、周波数がFiであることが好ましい方形波で、トランスポンダのPSK送信のためにトランスポンダ400によりアンテナ装置410に加えられるどのような変調とも独立している。タイミングおよびクロック発生器回路424はシステムクロックも分周してアドレス可能なメモリ438内のデータのアドレッシングのため、および変調のためのタイミングを発生する。たとえば、システムクロック周波数Fiを2分の1にしてPSK変調された戻り搬送波信号の周波数を決定する。周波数Fiの他の分周がデータ送信のためのボー速度の決定のために使用される。能動動作モードまたは試験動作モードでは、タイミングおよびクロック発生器回路は使用しないこともできれば、CLKパッドまたはVBアンテナパッドを介するクロック信号の直接入力のためのバッファとして使用することもできる。
【0141】
タイミングおよびクロック発生器回路424から種々のクロック信号が、列デコーダ440(240参照)と、列−データ変換器441と、アドレス可能なメモリ438に記憶されているデータへのアクセスを制御する行デコーダ&N、Np制御回路442(242参照)とのいくつかの制御論理回路に供給される。クロック信号は、弛張発振器452およびデータ獲得回路454のタイミングを制御するために行デコーダ&N、Np制御回路442によっても使用される。データ獲得回路454は温度指示値(カウント)Nと圧力指示値(カウント)Npを発生して、それらを温度レジスタ432と圧力レジスタ434にそれぞれ保存する。
【0142】
アドレス可能なメモリブロック438はEEPROMアレイ436(236参照)といくつかのハードウェアレジスタ432、434、および435(232および234参照)を含んでいる。EEPROMアレイ436は、後で説明する保存されている各種の情報でプログラムされる。
【0143】
EEPROMの最後の2行(たとえば、行14と15)はトリミング情報を保存するためにプログラムされているトリミングビット部436bを構成している。トリミング情報は、(a)弛張発振器452に供給される電流の減少を(ベース−エミッタ電圧−電流変換器450において)制御して圧力カウントと温度カウントとの分解度を制御し、(b)変調回路446における変調度を設定して所与のアンテナ装置410と所与のトランスポンダ用途に対する信号送信を最適にし、(c)動作モード(能動または受動)を設定し、(d)整流回路422の端子間電圧Vppにおけるクランプのインピーダンスを最適にする。トリミング線485を用いて、トリミングビット部436bに保存されているトリミング情報を、トランスポンダの動作(能動または受動)中の任意の時刻にその情報が働き掛ける回路(たとえば、450、446、484、422、482)が直接読み取ることができる。あるいは、ある試験モードおよびプログラミングモードにおけるように、試験論理回路484により制御されて、DATA接続パッドを介するEEPROM436メモリの残りと一緒に、トリミングビット部436bを外部読出しおよび書込み(プログラミング)のためにアクセスでき、かつ列−データ変換器441を介してトランスポンダデータ線444により通信できるようにする。
【0144】
従来のモデルトランスポンダ200について先に説明したように、温度レジスタ432と圧力レジスタ434のおのおのは、センサインタフェース部406から来る周波数Fosc’のセンサデータ信号によりクロックされるダウンカウンタのカウント(たとえば、12ビット)を保持する。
【0145】
パリティ、メモリのMTMS部435もこのトランスポンダ400のモデルにとっては新しい。それは、たとえば、12ビットのデータを保存するハードウェアのレジスタとして実現される。その12ビットのうちの5ビットは永久にセットされ(値=1)、その後にMTMSスイッチ(高すぎる温度にさらされると閉じる)の開き/閉じ(I/O)状態に従ってセット/クリヤする1ビットがあり、最後に圧力カウントと温度カウントのパリティを一時的に保存する6ビットがある。それらのパリティビットのうちの3ビットが圧力レジスタ434のカウントNpに対するものであり、その後の3つのパリティビットが温度レジスタ432カウントNに対するものである。パリティビットは、センサデータの獲得中に、NpダウンカウンタとNダウンカウンタ(それぞれ圧力レジスタ434および温度レジスタ432)における変化するカウントに従って常に更新される。各パリティビットは対応する圧力レジスタ434または温度レジスタ432内の4個の順次ビット(「ニッブル」)のパリティを表す。最上位のビットはカウントの最上位のニッブルを表し、中位のパリティビットはカウントの中位のニッブルを表し、最下位のパリティビットはカウントの最下位のニッブルを表す。
【0146】
トランスポンダチップ402のセンサインタフェース部406(206参照)は、接続パッド「Rext」を持つベース−エミッタ電圧−電流変換器450(参照)と、接続パッド「CP」を持つ弛張発振器452(252参照)と、「MTMS」接続パッドと、それをパリティ、MTMSレジスタ435(MTMSビットの以前の場所に対する236と匹敵する)中のMTMSビットに接続する線459とで構成されている。
【0147】
ベース−エミッタ電圧−電流変換器450は、図3の部分306ないし310を参照して上で詳しく説明した変換器250と類似するやり方で機能する。性能を向上するために、新しいベース−エミッタ電圧−電流変換器450中の部分306、308、310の回路は1段電流ミラー(たとえば、トランジスタP1、P2、P4、P6のための)の代わりにカスコードを利用し、外部抵抗Rext416は、500キロオームなどの、異なる好適な抵抗値を持つことができる。カスコードが望ましい理由はそれの電力除去比(PSSR)が高いことである。また、後で図5を参照してより詳しく説明する特徴においては、ベース−エミッタ電圧−電流変換器450の終段510(310参照)は部分308に異なるやり方で接続されて、トリミングビットレジスタ部436bにおけるプログラムされた設定と共同して動作し、線451、455上の減少された比例−温度電流I(T)B(線251、311上の電流I(T)/Nに匹敵する)を弛張発振器452(252参照)に供給する。以前の構成とは対照的に、電流スケーリング回路510(310参照)は電流I(T)を、トリミングビットレジスタ部436b内でのプログラムされた設定により決定された可変スケーリング係数「B」だけスケールできる。
【0148】
弛張発振器452は、行デコーダ&N、Np制御回路442の制御の下に、外部容量性圧力センサCp418と共に動作して、行デコーダ&N、Np制御回路442により決定されるタイミングウィンドウに依存して、周囲温度または周囲圧力を示す周波数Fosc’の信号を線453(253参照)を生ずる。データ獲得回路454は、行デコーダ&N、Np制御回路442のタイミング制御の下に、Fosc’信号を(タイミングウィンドウに依存する)適切なハードウェアレジスタへ、すなわち、線455を介して温度レジスタ432へ、線457を介して圧力レジスタ434へ送る。
【0149】
電流スケーリング回路510(ベース−エミッタ電圧−電流変換器450の一部)と弛張発振器452は弛張発振器252と比較していくつか改良されており、MTMS420の状態が以前の実現におけるもの(EEPROM236)とは異なるメモリ場所(レジスタ435)へ送られる。さもなければ、センサインタフェース部406は以前のモデル3070Cトランスポンダ200における対応する部分206と本質的に同じように動作する。
【0150】
以前のモデル200を参照して上で説明したように、「周囲」という用語はトランスポンダ400の付近、更に具体的にいえばトランスポンダ400に組合わされているそれぞれのセンサの付近で測定されるパラメータを指す。また、ここで「圧力指示値」、「圧力カウント」、「圧力応答」、「圧力レジスタ」等と呼んでいる「圧力」という用語はハイブリッド圧力−温度指示値を実際に生ずるこのトランスポンダ技術により測定される「圧力」を全体的に指す。このハイブリッド指示値の温度成分を除去するためにこのハイブリッド指示値が処理されると、その指示値は「圧力のみ」指示値と呼ばれる。
【0151】
列デコーダ440および行デコーダ442と共に、列−データ変換器441は、データ流中の測定されたタイヤ動作特性のうちから選択されたものをアンテナ装置410を介して外部の読取器/質問器(たとえば、106)へ、インタフェースおよび整流回路422(222参照)を介して送る変調回路446(246に匹敵する)へ線444(244に匹敵する)を介して信号(すなわち、データ)が出力される順序を制御する。線444はデータ流を試験論理回路484へも送り、そこでDATA接続パッドを介してそのデータ流を直接アクセスできる。
【0152】
変調回路446は線444からのデータ流をそれを表すインピーダンス変化の列(変調)に変換する。それらの変化はインタフェースおよび整流回路422を介してアンテナ装置410に加えられる。本発明のトランスポンダ400の新規な特徴は、変調指数(変調の大きさ)を動作電力レベルに合うように調整し、使用中の個々のトランスポンダ400と、アンテナ装置410と、読取器/質問器106のために最適にされた変調指数を(トリミングビット部436bを介して)選択できる性能である。
【0153】
受動モード動作では、外部源(たとえば、読取器/質問器106)からのRF搬送波信号がアンテナ412により受けられる。このRF信号は整流されて、RFトランスポンダ400に電力を供給するために用いられるとともに、タイミング/クロック信号を供給するために用いられる。変調回路446により加えられる変調情報はアンテナ装置410のLCタンク回路の特性(たとえば、インピーダンス、共振周波数等)を変更するために用いられる。それらの変更は負荷の変化として外部の読取器/質問器106により検出され、復号され、データのRFトランスポンダ400から外部の読取器/質問器106への送り返しを行う。トランスポンダ400の受動的な電力は受けたRF信号から取り出され、かつその信号の変調はその電力のうちのいくらかから行われるので、POR回路482は受動電力の供給中はリセット信号を保持し、トランスポンダの電力レベルが変調中のトランスポンダ400の安定な動作を確保するために十分に高くなるまではそのリセット信号をクリヤしない(それにより変調を行えるようにする)。
【0154】
試験論理回路484は、ウェハーの分類、最初のボードの組立レベルプログラミング、前較正段階におけるプログラミング、トランスポンダの較正およびトリミング、および容器封入によりひき起こされるオフセット誤差に対するトリミングビット436bを調整するための後較正プログラミングを含めた、トランスポンダの製造および使用のあらゆる段階で実行できる試験を可能にする。
【0155】
本発明のRFIQ(商標)トランスポンダ400の重要な部分についてのより詳細な説明を以下の部分で行う。
メモリ割当ておよびデータ流
アドレス可能なメモリブロック438は、以前のモデル3070Cトランスポンダ200よりも改良されたデータ流を提供するようにして構成されている。列デコーダ440と、列−データ変換器441とは一緒に動作してアドレス可能なメモリブロック438との間のデータの流れを制御する。能動モードまたは受動モード(すなわち、試験モードまたはプログラミングモードではない)で動作している時は、回路440、441、442はメモリ場所を最初のアドレスから最後まで(各データ「語」中の最上位ビットから最下位まで、語は最も下位番号の語から最も上位の語まで順序付けられている)1度に1つずつアクセスすることにより、送信のための直列データ列を生ずる。以下の説明から、データ流中に含めるべき行は動作モード(すなわち、受動/能動、または各種の試験モードおよびプログラミングモード)に従って選択されることがわかるであろう。行デコーダ&N、Np制御回路442の付加機能は、データ送信の1つの部分中に(たとえば、語/行2ないし6を送信中に)温度に関連するカウントを温度レジスタ432に蓄積し、かつデータ送信の他の部分中に(たとえば、語/行9ないし13を送信中に)圧力に関連するカウントを圧力レジスタ434に蓄積するように、センサインタフェース回路406を(線487を介して)制御することである。それらの蓄積は、データ流のそれらのカウントの部分が(たとえば、語14と15)正当である時にレジスタ432と434から読み出すべきカウントについての時間までに両方とも終了すべきである。
【0156】
図4B(図3Cに匹敵する)はアドレス可能なメモリブロックの「マップ」であって、それの物理的編成を示し(「行」により)、かつ能動モードまたは受動モードのデータ流の編成を示す(「語」により)。個々で説明しているトランスポンダ400の好適な実施形態では、各語または各行は長さが12ビット(または列)で、データ中には16語があり、全部で192ビットある(12掛ける16)。図4Aにおけるメモリブロック438の描写は物理的編成を理解する助けとなる。物理的メモリ(EEPROM436)の行1ないし13はデータ流の語1ないし13に対応すること、ただし物理的メモリ(EEPROM436)の行14と15はデータ流の部分ではないことに注目すべきである。その代わりに、温度レジスタ432は語14として読出され、圧力レジスタ434はデータ流の語15として読出される。データ流の最後の語、語16、は物理的メモリのハードウェアレジスタ(パリティ、MTMSレジスタ部435)から読出される。
【0157】
アドレス可能なメモリブロック438の例のEEPROM436部分は12列×15行のアレイとして配列されている180個のセルを有している。各セルは少なくとも1つのnチャネル選択ゲートと1つの対応するEEPROMトランジスタで構成されている。初めの13行(sync、I.D.、較正、CRC436a)は、トランスポンダ400が能動または受動であるようにプログラムされていようが正常な読出しモードで読出し可能である。それら初めの13行中のEEPROMメモリ場所は通常のやり方で選択され、EEPROMトランジスタごとに1つのnチャネルトランジスタ行選択ゲートが選択される。行14と15におけるEEPROMセル(トリミングビット部436b)はトリミング情報の12ビットのためのデータを保持し、トランスポンダにおけるそれの特殊な役割を容易にするために異なって構成される。各トリミングビット部436bのEEPROMセルは1つのゲートの代わりに2つのゲートを有し、トランスポンダ動作のある試験モードにおけるようにREAD TRIM選択ゲートが可能状態にされていなければ、トリミングビット436bをデータ流に付加できないように、特殊なREAD TRIM選択ゲートを行選択ゲートに直列に付加する。特殊なトリミングビットレジスタ436bの別の特徴は、各トリミングビット436bがEEPROMビット設定(プログラムされたトリミング情報)をトランスポンダ400回路の適切な部分に必要に応じて知らせるための付加された検出線を有することでもある。
【0158】
したがって、EEPROM436と関連する論理が、トリミングビット436bを、温度カウントおよび圧力カウントの代わりにデータ流中の語14および15としてビットを順次読出す「READ TRIM」試験モードにより、外部から読出すことができる。「読出し」試験モードでは、正常な動作におけるように、トリムビットはデータ流中には見られないが、検出増幅器により依然としてアクセスされて、プログラムされたトリム設定をトランスポンダ400の適切な部分へ知らせる。「書込み」試験モードでは、全てのEEPROM436セル(トリムビット436bを含む)が同時にアドレスされて書込まれる。これにより「1」が全てのEEPROMセルに実際に書込まれ、それらに高いしきい値を与える。「消去」試験モードでは、個々のセルを消去できる(低い負のしきい値が与えられて「0」にプログラムされる)。クロックCLK信号がEEPROMセルアレイを検索すると、VPPパッドにおける電圧をプログラミング温度まで上昇して、DATAパッドを高くすることにより消去を可能にすることにより、アドレスされた列とアドレスされた行との交点におけるセルが消去される。
【0159】
図4Bを参照して、マップは、初めの12のデータ場所(行1中のビット000..011)が同期(「sync」)データのために留保されている編成の例を示す。次の48のデータ場所(行2ないし5中のビット012..059)は個々のトランスポンダ400を特定する一般的な情報のためのものである。上記のように、各トランスポンダユニットはタイヤに装着される前に適切に較正される。次の24のデータ場所(行6ないし7中のビット060..083)は温度較正データ(たとえば、決定点と勾配)を保持する。次の24のデータ場所(行8ないし9中のビット084..107)は圧力較正データ(たとえば、決定点と勾配)を保持する。次の36のデータ場所(行10ないし12中のビット108..143)はICチップ402に関する追加の識別情報を保持する。次の12のデータ場所(行13中の)はチップ較正についての識別情報の4ビット(ビット144..147)と、CRC(周期的冗長性検査)などのデータ有効化アルゴリズムについての8ビット値(ビット148..155)を保持する。データ流中の次の2語(語14..15、ビット156..179)は温度レジスタ432と圧力レジスタ434からそれぞれ読出される。このデータ流の最後の語(語16、ビット180..191)はパリティ、MTMSレジスタ435から読出される。そのレジスタは5つの「開き」ビット(ビット180..184)と、MTMSスイッチ420の論理レベル(状態)を含んでいる。その後の1ビット(ビット185)と、最後に、各ビットが圧力カウントのパリティおよびその後に続く温度カウントのパリティに対するものである3ビットを含んでいる6ビット(ビット186..191)とを含んでいる。5つの開かれているビットは使用されず、論理「1」値として固定されている。
【0160】
列デコーダ440と、列−データ変換器441と、行デコーダ&N、Np制御器442回路とはアドレス可能なメモリブロック438に対するアドレッシングとアクセスを調整する。
【0161】
列デコーダ440は12の1デコーダをアドレスする4ビット同期カウンタで構成される。列デコーダ440からの出力はプログラミングおよび読出しの最中にメモリアレイの12列をアドレスする。列をアドレスするために、アドレスされた列を充電するためにアドレスnチャネル装置が小電力電流源の経路を定める。ビットが書込まれるとすると、列は高く引き上げられるが、消去されるとすると、列は低く引き下げられる。電流源の出力はバッファされ、列を通じてデータ変換器441と、変調回路446と、試験論理回路484とに至るトランスポンダデータ線444を駆動する。列は、タイミングおよびクロック発生器424により、またはCLKパッドを介して外部から供給されるタイミング論理クロック信号のレートで、列1から列12まで順次アドレスされる。列12をアドレッシングした後で、列デコーダ440は行デコーダ&N、Np制御器442をトリガしてそれを次の行へクロックし、かつそれ自身を列1へ戻すようにサイクルする。リセット信号(ターンオンされ、その後でターンオフされる)が電力供給オン・リセット回路482から(またはRESパッドを介して)受けられた後で、列デコーダ440と行デコーダ&N、Np制御器442はそれらのアドレッシング順序をリセットして行1の列1で、すなわち、アドレス可能なメモリブロック438の最初のビットすなわちセルでスタートする。列デコーダ440は読出し動作モードのいずれかまたは消去中にEEPROMアレイ436を直列にアドレスする。書込み試験モードでは、EEPROMメモリ全体が書込み動作のために同時にアドレスされるので、それは何の影響も及ぼさない。
【0162】
行デコーダ&N、Np制御器442は16の1デコーダをアドレスする4ビット同期カウンタである。そのデコーダはデータメモリ436aの13行を行1から13までアドレスする。書込み試験モード、消去試験モードおよびREADTRIM試験モードでは、それはトリミングビットのためにEEPROMメモリ436bの行14と15もアドレスする。正常な読出し(能動モードまたは受動モード)中は、デコーダは行アドレス14の温度ハードウェアレジスタ432と、行アドレス15の圧力ハードウェアレジスタ434とをアドレスする。動作モードとは無関係に、行16アドレスは特殊なデータ行、すなわち、パリティ、MTMSハードウェアレジスタ435、へ送られる。読出し試験モードおよび消去試験モードでは、各行は列デコーダ440の最後のビットの立ち下がり縁部で順次アドレスされる。受動モードまたは能動モードでは、リセット信号が行デコーダ&N、Np制御器442を行1にセットする。それは同期語である。書込みモードでは、全ての行は同時にアドレスされる。それは全ての選択線と制御ゲートを電圧Vppへ引き上げる。上で述べたように、行デコーダ&N、Np制御回路442の付加機能は、温度レジスタ432と圧力レジスタ434の指定された時間(データ収集ウィンドウ)中に温度に関連するカウントを温度レジスタ432に蓄積し、圧力に関連するカウントを圧力レジスタ434に蓄積するように、センサインタフェース回路406を制御することである。
プログラム可能な電流スケーリング
従来のモデル3070Cトランスポンダ200について上で説明したように、線311、251を介して弛張発振器312、252に入力されるスケールされた電流I(T)/N は、図3の電流スケーリング回路310内のP5、P6などの電流ミラートランジスタの物理的面積の比により決定される固定された量だけスケールしなければならない。物理的面積は製造中に設定されている。
【0163】
図5の一部が、本発明のRFIQ(商標)トランスポンダ400のベース−エミッタ電圧−電流変換器450の一部である改良した(プログラム可能な)電流スケーリング回路510の例を示す。電流スケーリング回路510(310参照)はスケールされた電流I(T)Bを線511(311参照)に生ずる。ここにスケーリング係数「B」は、トランスポンダ400製造後の任意の時にトリミングビット436bのあるものを介してトランスポンダ400中にプログラムできる。電流スケーリングは今は温度測定(たとえば、温度スケーリング係数B=1または1.5)と、圧力測定(たとえば、圧力スケーリング係数B=0.5刻みで1ないし8.5)とに対して別々にプログラムでき、弛張発振器512(312参照)に供給される電流を比例−周囲温度(PTAT)電流I(T)の1.5ないし8.5までプログラム可能に増加できる。電流スケーリング回路510において電流ミラーをプログラミングすることにより、度当りのカウントまたはPSI当りのカウントをプログラム可能に最大にでき、それにより温度カウントと圧力カウント(NとN)の分解度と安定度を高くする。上記のように、圧力カウントを最適にすることが特に望ましく、したがって、広い範囲の圧力スケーリング係数Bがプログラミング(トリミング)のために利用できるようにされる。より狭い範囲の温度スケーリング係数Bは、ダイレベルにおける処理の移動と、外部精密抵抗(Rext)416の変化を補償するために一般に適切である。同様なやり方で、温度スケーリング係数Bと圧力スケーリング係数Bのために他の適切なスケーリング係数値を設けることは本発明の範囲内である。
【0164】
図5を参照して、プログラム可能な電流スケーリング回路510は破線により囲まれている。トランジスタP6が電流ミラー構成で、温度検出および圧力ミラー回路中のトランジスタP1、P2、P4(図3の306、308に匹敵するが、ず5にはとたP4とP5のみが示されている)に接続されて、それらの電流ミラーゲートが、基準電圧PbiasをトランジスタP6のゲートに供給する線505(305に匹敵する)に接続されるようにしている。電流ミラー接続のために、トランジスタP4とP5を流れる電流は外部抵抗Rext416、316を流れるPTAT電流I(T)を写す。プログラミング可能な電流スケーリング回路510の電圧源は線503(303に匹敵する)に供給される電圧Vccである。上記のように電圧Vccは調整されて温度とはほぼ独立している。アナログ電源電圧Vccの使用はデジタル電源電圧Vddの従来の使用(回路310)の改良である。その理由は、電圧Vccは「よりきれい」で、デジタル電圧に含まれるスイッチングノイズを含んでいないからである。簡単にするために、トランジスタP4、P6、P6.05、P6.1、P6.2、P6.4は単一のトランジスタとして示されている。それらのトランジスタを、図3の回路306、308のP1、P2、P4などのトランジスタについて上で説明したように、カスコードとして実現することは本発明の範囲内である。電流ミラー構成で使用されるそのようなカスコードトランジスタは、カスコード電流ミラーの各段のトランジスタのゲートを接続する別々のバイアス線(たとえば、PbiasがPbias′とPbias″に分割される)を有する。
【0165】
電流スケーリング回路310におけるように、トランジスタP4とP6は電流ミラー構成で接続されている。しかし、ミラーされる電流をスケールするために物理的面積の固定された比を持つ回路310のトランジスタP5とP6の代わりに、本発明のプログラム可能な回路ではトランジスタP6は、P6がミラー接続されちるトランジスタP4(および回路306、308のトランジスタP1、P2)と比較される物理的面積のプログラム可能な比を持つ。トランジスタP6の物理的面積は、トランジスタP6に並列に付加されて、トリミングビット436bのあるものと、行デコーダ&N、N制御回路442からの制御信号との制御の下にスイッチにより使用に切り替えられる。図5に示されているトランジスタP4、P6、P6.05、P6.1、P6.2、およびP6.4のおのおのは、ここのトランジスタのサイズにより決定でき、または並列に組合わされてまとめて「単一トランジスタ」として記されている多数のトランジスタの物理的面積を一緒に加え合わせた結果とすることができる、適切な面積を有することを理解すべきである。たとえば、物理的面積が1(任意の「単位」で)であるトランジスタP5を、物理的面積が1.0単位である1個のトランジスタとして、または物理的面積がおのおの0.5単位である2個のトランジスタとして製造できる。図5に示されている実施形態では、トランジスタP4、P6、P6.05、P6.1、P6.2、およびP6.4のおのおのは「A=」nとして記されている相対的な物理的面積を持つ。ここにnは任意の単位での物理的面積である。各トランジスタP4、P6、P6.1の物理的面積は1.0単位で、トランジスタP6.05、P6.2、およびP6.4はそれぞれ0.5、2.0、および4.0の物理的面積を有する。図3のミラーされるトランジスタP1、P2、P4もP6と同じ物理的面積を有するので、それらの物理的面積は1.0単位であることを理解すべきである。それらの付加されたトランジスタP6.05、P6.1、P6.2、およびP6.4(「P6.n」)の種々の組合わせで切り替えることにより、0.0から7.5単位までの組合わされた物理的面積をトランジスタP6の面積(1.0単位)に0.5単位の増分で付加できる。上記のように、ミラーされるトランジスタの物理的面積の比(たとえば、比(P6+P6.n)/4)はプログラム可能な電流スケーリング回路510から線511に出るミラーされた電流I(T)BをPTAT電流I(T)から、全物理的面積の比に等しい係数Bだけ増大させる。
【0166】
付加された各トランジスタP6.nは、ここでは一方の側の線により示されている制御入力を持つボックスとして示されている、直列の1つまたは複数の制御半導体スイッチ(スケーリング・トリムスイッチS5、S6、S7、S8、およびS9、温度スケーリング・スイッチST1、および圧力スケーリング・スイッチSP1)を有する。反転と標準(非反転)の2種類の半導体スイッチが示されている。スイッチST1とSP1は、たとえば、Nチャネルトランジスタとして実現でき、制御信号がそれのゲートに加えられる標準半導体スイッチである。そのようなスイッチは、制御信号が高い(論理「1」、「真」、または「セット」などのアースより高い電圧)時は導通し(スイッチ「オン」すなわち、「閉じられる」)、低い(アース、論理「0」、「偽」、または「クリヤ」)の時は導通しない。反転スイッチS5、S6、S7、S8、およびS9は、対応するトリムビット5ないし9が「クリヤされる」としてプログラムされるならば、「オン」(閉じられる)にプログラムされる。ここで説明しているトランスポンダ400に実施形態では、トリムビット5〜9はトリミングビット436bレジスタ内の唯一の「低−真」論理ビットであることに注目できる。そのようなPチャネルトランジスタ・スイッチを使用することの利点は、それらがトランスポンダの電力増大中に電圧レベルが上昇するにつれてNチャネルトランジスタ・スイッチよりも速く機能することである。トリムビットは、線485を介して通信させられる、EEPROMトリミングビット・レジスタ437b内のビットアドレスである。この例では、トリムビット5は温度カウント精密トリミングを制御し、トリムビット6は圧力カウント精密トリミングを制御し、トリムビット7、8、9は圧力カウント総トリミングを制御する。スケーリング・トリムビット「n」の設定が「TRIMBIT 」n(すなわち、スケーリング・トリムビット5ないし9のためのスケーリング・トリムビット信号TRIMBIT 5..TRIMBIT 9)として示されている。非反転スケーリングスイッチST1とSP1が行デコーダ&N、N制御器442から線847に来る信号CAPTURE NTおよびCAPTURE NPによりそれぞれオン/オフ制御される。スケーリングスイッチST1とSP1は種々のスケールされた電流I(T)Bを温度測定期間中または圧力測定期間中に(それぞれ時間ウィンドウWとW)に弛張発振器452、512により使用可能にする。したがって、電流スケーリング係数Bの値は、温度測定ウィンドウW中(信号CAPTURE NTがオン)はB(1または1.5)であり、圧力測定ウィンドウW中(信号CAPTURE NPがオン)はB(0.5刻みで1ないし8.5)である。図5はスイッチ(たとえば、S5とST1)の直列配置を示しているが、I(T)B信号の累積スイッチング損失をデジタル論理を用いることにより避けて制御信号を組合わせ、単一のスイッチを制御することは本発明の範囲内である。たとえば、ANDゲート、それの出力がスイッチST1を制御する、によりCAPTURE NT信号を反転されたTRIMBIT 5信号に組合わせることによりスイッチS5をなくすことができる。
弛張発振器
トランスポンダ200の以前のモデル3070Cについて上で説明したように、弛張発振器312、252は、温度読取りのための容量CFX1とCFX2、または圧力読取りのための容量CFX1および(CFX2プラスC)との2つの容量の交互充電により決定される周波数Fosc′を生ずる。それらの容量の充電速度は容量の大きさと、それらを充電するために用いられるスケールされた電流I(T)/Nの大きさとにより決定される。容量の放電速度は要因ではない。その理由は、各容量は他の容量が充電中に放電し、かつ放電路の抵抗値が低いために充電よりも速く放電するためである。弛張発振器312のセット‐リセット部は、容量の1つがバンドギャップ電圧Vdgのすぐ上のレベルまで充電した時にのみトリガされたフリップフロップする。
【0167】
図5の一部は、本発明のRFIQ(商標)トランスポンダ400の弛張発振器452をほぼ構成する改良した弛張発振器回路の例を示す。
【0168】
回路512は依然として弛張発振器であり、上記の今はプログラム可能である電流スケーリング回路510(310参照)から線511に供給されたスケールされた電流(測定電流)により駆動される。位相経路φ1とφ2(それぞれ位相1経路514aと位相2経路514b)を持つ、弛張発振器512のセット‐リセット部514(314aと314b参照)は同じ一般的なやり方で機能するが、比較器516(516a、516b、316a、316b参照)の入力の変化を許容するために既知のやり方で僅かに修正されている。大きな回路変更は、温度測定と圧力測定のためにそれぞれ2つの測定スイッチング回路515aと515bに分割されているフロントエンド、スイッチング装置に対してである。コンデンサCFX2は無くされているので、今は温度測定期間中はコンデンサCFX(CFX1参照)のみが使用され、圧力測定期間中はコンデンサC(418、218参照)のみが使用される。ある測定期間中は、周波数出力信号周波数Fosc′は今はコンデンサCFXまたはCの交互充放電により決定される。それらのコンデンサは行デコーダ&N、N制御器442により選択される。比較器516aと516bはそれぞれたとえばVbg、Vbg/2(バンドギャップ電圧とバンドギャップ電圧の半分)の基準電圧を有しているので、選択されたコンデンサCFXまたはCは電圧レベルVbgのすぐ上まで充電すべき(スケールされた)測定電流I(T)Bを使用する。それはセット‐リセット回路514をトリガしてそれの第1の状態(たとえば、PHASE1=真)から第2の状態(たとえば、PHASE2=真)へフリップフロップさせる。それは充電電流I(T)Bをオフにし、その代わりに、スケールされた電流I(T)Bを、I(T)Bに等しいミラーされた電流により、選択されたコンデンサCFXまたはCを電圧レベルVbgから電圧レベルVbg/2以下まで放電させる電流ミラーを通るように転流する。それはセット‐リセット回路514をトリガしてそれの第1の状態へ再びフリップフロップし、選択されたコンデンサCFXまたはCの充電を再開する。アース(零ボルト)からVbg/2への最初の充電の後で、説明した動作が、スケールされた電流I(T)Bと選択されたコンデンサCFX(温度測定のため)またはC(圧力測定のため)の大きさにより決定される周波数を持つ一様な50%デューティサイクルの波形になる。本発明の弛張発振器512、452の別の新規な特徴は、測定の使用のために使用されていないコンデンサCFXまたはCのいずれかにスイッチインされて、徐々にアースへ放出されるためにミラーされる小さいバイアス電流Ibiasを供給することであり、使用しない時にそれらのコンデンサを接地することが、セット‐リセット回路514が測定のために使用される各時間の前に、その回路を定められた状態にセットするためにも使用される。
【0169】
弛張発振器回路512の例は2つのアナログ入力、すなわち、線511に供給される(プログラム可能に)スケールされるPTAT電流I(T)Bと、線513に供給されるバイアス電流Ibiasとを有する。バイアス電流Ibiasは、上で説明した電流スケーリング手順などの既知のやり方で得られたPTAT電流I(T)の小さい分数(たとえば、I(T)/10)である。
【0170】
弛張発振器回路512の例は、行デコーダ&N、N制御器442から線487に供給される2つのデジタル(論理または制御)入力、すなわち、温度と圧力のいずれかが測定されているかをそれぞれ決定するCAPTURE NT信号と、CAPTURE NP信号とを有する。制御信号入力はそれの対応する数によりいくつかの場所で示されている。たとえば、CFX TO OSC信号は丸の中の数字1により示され、そこから論理回路531を出、またそこからスイッチST2に入力される。位相経路φ1とφ2の出力はそれぞれ制御信号PHASE1およびPHASE2として用いられ、また反転されて制御信号として用いられる。すなわち、位相経路φ1信号はインバータ520aにより反転されて信号
【0171】
【外1】

Figure 2004500760
【0172】
となり、位相経路φ2信号はインバータ520bにより反転されて信号
【0173】
【外2】
Figure 2004500760
【0174】
となる。ここで名称の上に示されている線は論理が反転されていること、すなわち、「NOT」、を示すので、たとえば、
【0175】
【外3】
Figure 2004500760
【0176】
は「位相1ではない」こと(すなわち、PHASE1信号が高い、すなわち、論理レベル1であると、
【0177】
【外4】
Figure 2004500760
【0178】
信号は低い、すなわち、論理レベル0)を意味する。PHASE1、PHASE2、
【0179】
【外5】
Figure 2004500760
【0180】

【0181】
【外6】
Figure 2004500760
【0182】
信号は、論理回路531への入力としてCAPTURE NT信号およびCAPTURE NP信号に組合わされる。その論理回路は6つの制御信号−2つのコンデンサ選択信号、すなわち、CFX TO OSC(#1)およびCP TO OSC(#2)と、4つの測定制御信号PHASE1 NT(#3)、PHASE2 NT(#4)、PHASE1 NP(#5)、およびPHASE2 NP(#6)とを出力する。
【0183】
論理531に含まれているデジタル信号の詳細が、図5に示されている論理回路例531a..531f(それぞれ信号(#1)..(#6)のため)として示されている。各論理回路531a..531fは論理回路531から出力すべきそれの制御信号を生ずるためにNANDゲートと1つのインバータを利用する。ここで説明しているように挙動する信号(#1)..(#6)を発生するその他の形態の論理回路531を含むことは本発明の範囲内である。出力信号(#1)、(#2)は、1つのパラメータ(NまたはN)を測定するのであって、他のパラメータ(NまたはN)を測定するのではない時であることを一般に意味することがわかる。それらの信号は、「capture...」信号の設定とは無関係に、反対のパラメータを測定するのではない時には常に真(論理1)でもあることに注目されたい。このように、信号CFX TO OSC(#1)はCAPTURE NPが偽である時は常に真であり、信号CP TO OSC(#2)はCAPTURE NTが偽である時は常に真である。(#1)、(#2)信号はスイッチST2とSP2をそれぞれ制御するので、この論理は、逆のコンデンサCP/CFXがセット‐リセット回路514に接続されていない時には、スイッチST2/SP2にコンデンサCFX/CPをセット‐リセット回路514に常に接続させる。これはセット‐リセット回路514を定められた状態に始終留める助けをする。
【0184】
各出力信号(#3)ないし(#6)は、真である時に、発振器がどの位相(位相1または位相2)にあるか、およびどのコンデンサ(温度のためのCFX、または圧力のためのC)、もしあれば、が測定のために使用中であるかを主として決定する信号の状態を一般に示す。図5Aに示されているNANDゲート論理の例でわかるように、各出力信号(#3)ないし(#6)は、反対の測定が選択された時、または測定が選択されないとしても、位相とは無関係に、常にまた真であることがわかる。たとえば、論理回路531c中のNANDゲートは信号PHASE1 NT(#3)を出力する。温度が測定されているとすると、PHASE1 NTは位相1(CFX充電)中は高く、位相2(CFX放電)中は低い。しかし、温度が測定されていないと(すなわち、CAPTURE NTが低、真でない)、発振器の位相とは無関係に、温度や圧力が測定されていないとしても、PHASE1 NTは高い。同様な論理が、丸で囲まれている数#3、#4、#5、および#6により示され、かつ図5Aに論理回路531cないし531fとして示されている4つの制御信号(#3)ないし(#6)のおのおのに適用される。
【0185】
線521(453と同じ、321と253を参照)、における
【0186】
【外7】
Figure 2004500760
【0187】
信号は、温度カウントと圧力カウントを対応するレジスタ432と434にそれぞれ累積するためにトランスポンダ400により使用される、(反転された)弛張発振器出力信号Fosc′である。弛張発振器出力信号Fosc′はバッファされてレベルをデジタル論理信号レベルに移行させられることがわかる。弛張発振器512は、トランスポンダ400を(能動モード)試験状態、「READ TEMP」と「READ PRESS」、のいずれかに置くことにより試験でき、または直接読取ることができる。それらの試験状態により弛張発振器512を温度および圧力のためにそれぞれ可能にし、弛張発振器出力信号Fosc′をDATAパッドへ送る。
【0188】
弛張発振器512のフロントエンドは2つのほぼ同じである測定スイッチング回路515aと515bで構成されている。それらの回路は温度測定コンデンサCFXまたは圧力測定コンデンサCと、適切なフロントエンドスイッチング回路515をセット‐リセット回路514に接続する温度測定直列スイッチST2または圧力測定直列スイッチSP2を利用している。スイッチST1とSP1について上で説明したように、スイッチST2とSP2はNチャネルトランジスタを用いて実現できる、またはCMOSで実現できるスイッチなどの標準(非反転)半導体スイッチである。チップ402におけるコンデンサはポリ‐ポリ・コンデンサであって、非常に低い温度係数と、高い分解度を与える面積(容量)を有するが、エッチング誤差や位置合わせ誤差などの処理要因に対する感度が低い。温度測定コンデンサCFXは、たとえば、6pf(+/−10%)のポリ‐ポリ・コンデンサである。圧力測定コンデンサC418(218参照)はオフチップであって、上記したものと同様な頑丈で安定な特性を持つことが好ましい(たとえば、直線容量対絶対圧力応答を持ち、4〜40pfの間で変化する接触モード容量性圧力センサ)。
【0189】
温度測定スイッチング回路515aは、たとえば、PチャネルトランジスタP9、P10、P13と、NチャネルトランジスタN9、N10、N13、N14と、インバータ517aと、半導体スイッチST2(NチャネルCMOSトランジスタなど)と、温度測定コンデンサCFXとで構成されている。圧力測定スイッチング回路515bは、たとえば、PチャネルトランジスタP11、P12、P14と、NチャネルトランジスタN11、N12、N15、N16と、インバータ517bと、半導体スイッチSP2と、圧力測定コンデンサC(418、トランスポンダチップ402の外部で、接続パッドCpを介して接続されている)とで構成されている。上記した種々の制御入力が丸で囲まれている数字1により示されているように測定スイッチング回路515に接続されかつ電流Ibiasも図示のように入力される。
【0190】
以下、含まれている技術を示すために、温度測定スイッチング回路515aについて説明する。圧力測定スイッチング回路515bは適切な並列のようにして機能する。
【0191】
トランスポンダ400が弛張発振器512を温度測定モードに置くと、行デコーダ&N、N制御回路442は、温度測定ウィンドウWとしてそれが選択する時間tの間CAPTURE NTを高くセットし(およびCAPTURE NPを低くセットする)、それにより論理回路531aと531bを介してスイッチST2を閉じ(およびスイッチSP2を開放状態に保つ)。セット‐リセット回路514は動作を位相1(すなわち、φ1、514の出力が高く、φ2、位相2、514bの出力が低い)でスタートする。その理由は弛張発振器が測定のために使用されていない時には測定スイッチング回路515が常に低い電圧にされ(下で説明するように)、この低い電圧は、上記のように信号#1、#2のための論理によって比較器516aと516bに供給されるからである。信号PHASE1=真かつPHASE2=偽であるので、論理回路531は次の信号、丸で囲まれている数字により特定されている、を出力する、すなわち、PHASE1 NT(#3)、PHASE1 NP(#5)、PHASE1 NP(#6)=真、PHASE1 NT(#4)=偽。それらの信号はトランジスタP13をオフにし、P9をオンにすることにより、スケールされた電流I(T)BをP9を通じてコンデンサCFXを充電する。スイッチST2は信号(#1)により閉じられているので、セット‐リセット回路514はコンデンサCFXの立ち上がる電圧を検出する。同時に、トランジスタN14がオンに保たれて、トランジスタN9のゲートを接地し、充電されているコンデンサCFXの電流漏れ経路が存在しないようにそれをオフに保つ。トランジスタP10とN13もオフに保たれているので、トランジスタN9への他の入力はなく、トランジスタN10の状態は問題ではない。
【0192】
セット‐リセット回路514が位相2(PHASE1=偽、PHASE2=真)へフリップフロップすると、信号PHASE1 NT(#3)は偽へ変化し、PHASE2 NT(#4)は真(ただしPHASE1 NP(#5)とPHASE2 NP(#6)は「真」に留まる)へ変化する。それらの信号はトランジスタP13をオンにし、P9をオフにすることにより、スケールされた電流I(T)BをトランジスタN10へ送る。トランジスタN13がオンにされ、トランジスタN14がオフにされているので、トランジスタ対N10/N9は今は電流ミラーを形成し、したがって、トランジスタN10を通ってアースへ流れる電流は、トランジスタN9を通じてアースへ流れてコンデンサCFXを放電する等しい電流によりミラーされる。いまはターンオンされている制御トランジスタP10を通じて電流Ibiasを接続することの意図されなかった副作用は、トランジスタN10/N9を流れる電流がスケールされた電流I(T)Bとバイアス電流Ibiasの和であり、それによりコンデンサCFXの放電速度を充電速度と比較してわずかに高くする。バイアス電流Ibiasは比較的小さいので、これは弛張発振器512のデューティサイクルを50%−50%から僅かにずれるように変化するが、カウンティングプロセスには影響を及ぼさない。(意図的に対称的なデューティサイクルで動作させられる、上記の、従来のモデルのトランスポンダ400と比較されたい。)スイッチST2は信号(#1)により依然として閉じられているので、セット‐リセット回路514はコンデンサCFXの降下する電圧を検出できる。
【0193】
温度測定ウィンドウWが閉じられていると(トランスポンダ400はもはや温度測定モードにない)、行デコーダ&N、N制御回路442に温度レジスタ432内のデータ獲得を停止させる。この点では、CAPTURE NT信号が依然として低いので、スイッチST2は閉じられたままである(信号CFX TO OSC)。CAPTURE NP信号が高くセットされた(およびCAPTURE NT信号が低い)とするとスイッチST2は他の時に開くだけである、すなわち、圧力が測定され、温度は測定されない。CAPTURE NT信号が低いと、論理回路531は信号PHASE1 NT(#3)とPHASE2 NT(#4)を真にする。それらの信号はトランジスタP13とP9をオフにすることにより、温度測定スイッチング回路515aを流れるスケールされた電流I(T)Bの流れを遮断する。しかし、トランジスタN13がオンにされ、トランジスタN14がオフにされているので、トランジスタ対N10/N9は電流ミラーを依然として形成し、バイアス制御トランジスタP10がオンであるのでトランジスタN10をアースまで流れるバイアス電流Ibiasは、トランジスタN9を通じてアースへ流れてコンデンサCFXを放電する等しい電流によりミラーされる。(小さい)バイアス電流Ibiasはミラー回路N10/N9を流れることを許されている唯一の電流であるので、コンデンサはアース(0ボルト)まで徐々に放電させられ、CAPTURE NT制御信号を高く(真)にすることにより次の温度測定ウィンドウWが開かれるまでそこに保持される。スイッチST2は依然として閉じられているので、比較器516aと516bへの接地された入力はセット‐リセット回路514に、PHASE1=高い、PHASE2=低いという定められた状態で発振を停止させる。温度カウントNまたは圧力カウントNを累積するために測定コンデンサCFXとCの各使用の前に、測定コンデンサCFXとCを定められた状態(零電圧)にリセットするために小さいバイアス電流Ibiasを利用するここで開示している手段を設けることが本発明の特徴である。本発明の別の特徴は、セット‐リセット回路514の各使用前にセット‐リセット回路514を定められている状態に更に置くためにここで説明している手段を使用することである。
【0194】
上記の説明例は、トランスポンダ400回路の種々の部分において、たとえば、電流変換器450(電流スケーリング回路510)へのベース‐エミッタ電圧において、弛張発振器452(512)において、およびデータ獲得回路454(図3Aに示されている回路254とほぼ同じ)において、種々の目的のために制御信号CAPTURE NTおよびCAPTURE NPを利用する。適切な順序で事象が起きるように、それらの回路450、452、および454のおのおのへの制御信号のタイミングを変えることは本発明の範囲内である。たとえば、回路454は、弛張発振器512の時間が安定な動作することができるようにして、測定コンデンサCFXとCにおける電圧Vbg/2とVbgの間で発振するように、ターンオンを遅延させることができる(たとえば、256μsecの遅延1ビット幅時間)。
【0195】
トランスポンダ400の典型的な受動モード動作について上で注意したように、行デコーダ&N、N制御回路442は制御信号をセンサインタフェース回路406へ(線487を介して)供給して、データ送信の1つの部分(たとえば、語/行2ないし6を送信している間に)中に温度に関連するカウントを温度レジスタ432に累積し、データ送信の別の部分(たとえば、語/行9ないし13を送信している間に)中に圧力に関連するカウントを圧力レジスタ434に累積する。データ獲得回路454について遅延されたターンオンを実現するために、行デコーダ&N、N制御回路442は、たとえば、行2のビット1へクロッキングした時にCAPTURE NT信号をプログラム可能な電流スケーリング回路510と、弛張発振器回路512へ送ることができ、その後で、行2のビット2へクロッキングした時に異なる「Capture Temp」信号をデータ獲得回路454へ送ることができる。同様にして、CAPTURE NT信号と「Capture Temp」信号を異なる時刻に、あるいは一緒にも(たとえば、行7のビット1へクロッキングした時に)送ることができる。
【0196】
図面および以上の説明で本発明を示し、記述したが、それは例示であって特徴を限定するものではないと考えるべきであり、好適な実施形態のみを示して説明したものであることを理解すべきであり、全ての改変は本発明の要旨内に入り、保護されることが望まれる。疑いもなく、上記「主題」に対する他の多くの「変化」は本発明が最も近く属している技術の当業者には着想されるものであり、それらの変化はここに開示している本発明の範囲内に含まれるべきであることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】
外部読取器/質問器および空気入りタイヤ内のRFトランスポンダを備えている本発明のRFトランスポンダ装置の一般化した図である。
【図2】
本発明の以前のモデルのRFトランスポンダの主要部品のブロック図である。
【図3】
本発明の以前のモデルの図2のRFトランスポンダの主要部の回路図である。
【図3A】
本発明の以前のモデルの図2のRFトランスポンダの一部の回路図である。
【図3B】
本発明の以前のモデルの図2のRFトランスポンダの一部の回路図である。
【図3C】
本発明の以前のモデルに従って、データをどのように配列し、送信するかを示す図2のRFトランスポンダのメモリ空間内の図である。
【図3D】
本発明の以前のモデルの図2のRFトランスポンダのトランスポンダ指示値とトランスポンダ電力のグラフである。
【図4A】
本発明のRFトランスポンダの主な部品のブロック図である。
【図4B】
本発明の以前のモデルに従って、データをどのように配列し、送信するかを示す図4AのRFトランスポンダのメモリ空間内の図である。
【図5】
本発明の、図4AのRFトランスポンダの電流スケーリング部と弛張発振器部の回路図である。
【図5A】
本発明の、図5の弛張発振器部の論理部の回路図である。[0001]
Cross reference with related application
This application is a PCT application entitled RELAXATION OSCILLATOR FOR FOR TRANSPONDER, filed on the same date as the filing date of that application. PCT Application No. DN199999116 PCT and a programmable modulation index for the transponder (PROGRAMMABLE \ MODULATION \ INDEX \ FORTRANSPONDER); No. DN199999118 PCT and a PCT application entitled PROGRAMMABLE \ TRIMING \ FOR \ TRANSPONDER with programmable trimming for transponders, Attorney Case No. DN 19999256 PCT.
[0002]
This application is pending and is hereby incorporated by reference and filed on May 17, 1999 by Yones. 60 / 134,398 is a continuation-in-part application.
[0003]
(Technical field)
The present invention relates to pressure and temperature monitoring, and more particularly to tires for sending pressure and temperature measurements to an external (vehicle) receiver (reader or reader / interrogator). For the combined transponder.
[0004]
(Background technology)
The safe, efficient and economical operation of a vehicle relies heavily on maintaining all (each) tires of the vehicle at the correct pressure. Driving a car at low air pressures can result in excessive tire wear, difficult steering, unsteady running, and increased fuel consumption. All of these difficulties are magnified when the tire pressure goes to zero if the tire gets punctured.
[0005]
The need to monitor tire pressure while the tires are in use is emphasized in connection with "run-flat" tires, which are tires that can be used completely deflated. Such run flat tires are disclosed, for example, in U.S. Pat. No. 5,368,082, owned by the assignee of the present invention, and all of which are incorporated herein by reference. Incorporating reinforced sidewalls, a mechanism to secure the tire bead to the rim, and non-pneumatic tires in pneumatic tires that allow the driver to maintain control of the vehicle after a catastrophic pressure drop Yes, and they have progressed to a point where the driver becomes increasingly unaware that the tire has collapsed. The broad objective behind using runflat tires was to puncture a limited distance (eg, 80 kilometers) before repairing the tires, rather than stopping at the shoulder to repair the punctured tires The purpose is to allow a driver of a car to continue running with pneumatic tires. Therefore, it is desirable to provide a low air pressure alarm device in the vehicle that warns the driver that the air pressure of the pneumatic tire is leaking (for example, with an indicator light or a buzzer).
[0006]
To this end, some electronic devices monitor the pressure of the pneumatic tire and provide an indication of the current tire pressure to the driver of the vehicle or warn the driver when the pressure drops below a predetermined threshold level. And electronic systems are known.
[0007]
For example, U.S. Pat. No. 4,578,992 (Galasko et al., April 1986) discloses a coil forming a passive oscillation circuit having a natural resonance frequency that changes with tire pressure, which changes the capacitance value of a pressure-sensitive capacitor; A tire pressure indicating device including the pressure-sensitive capacitor is disclosed. The circuit is excited by pulses supplied by a coil located outside the tire and fixed to the vehicle, and the natural frequency of the passive oscillation circuit is detected. The natural frequency of the coil / capacitor indicates the pressure on the pressure sensitive capacitor.
[0008]
There are also known electronic devices that can transmit radio frequency (RF) signals indicative of tire pressure to remotely located receivers rather than merely passive resonant circuits. Such a "transmitting device" can have its own power supply, or can only be activated when the pressure drops below a predetermined threshold. Alternatively, the transmitting device can be activated ("turned on") from a remotely located receiver. In this case, the receiver is considered an "interrogator". Further, the transmitting device can receive power by the RF signal from the interrogator. In addition, the tire pressure monitoring electronics may be capable of receiving information from the interrogator. In this case, the electronic device is called a "transponder".
[0009]
As used herein, a “transponder” transmits and receives radio frequency signals and a single state (eg, tire pressure) or multiple states (eg, tire pressure, temperature, rpm) at which the transmitted signal is measured. ), Variable information (data) can be sent in an appropriate format and, depending on the selection, a response to information that may be present in the received signal can be made. The most interesting and typical condition for pneumatic tires is tire pressure. A "passive" transponder is a transponder that receives power from the energy of the signal received from the interrogator. An "active" transponder has its own power supply (e.g., a battery) and uses minimal power until it is "woken up" by a signal from an interrogator, or by an internal periodic timer, or by an attached device. And a transponder including an active transponder in a "sleep mode". As used herein, the term "tag" refers to a transponder that has transmit and receive capabilities, or a transponder that has only transmit capabilities. Generally, tags that are transponders are suitable in the system of the present invention. As used herein, a "tire pressure monitoring system" (TPMS) is an entire system that includes a tag in a tire and a receiver, which can be an interrogator located in the vehicle. Is shown.
[0010]
A tag and its associated condition sensor (eg, a pressure sensor) are mounted in each tire of the vehicle and a single interrogator (or receiver) collects information from each of those transponders; It is known to alert a vehicle driver of a low tire pressure condition that requires correction (eg, tire replacement). For example, U.S. Pat. No. 5,540,092 (Hndfield et al., 1996), which is incorporated herein by reference in its entirety, discloses an apparatus and method for monitoring pneumatic tires. FIG. 1 of that patent discloses a pneumatic tire monitoring device (20) comprising a transponder (22) and a receiver (24).
[0011]
Examples of RF transponders suitable for mounting in pneumatic tires are U.S. Pat. No. 5,451,959 (Schuermann, May 1995) and U.S. Pat. No. 5,661,651 (Geschke et al., 1997). August 1996) and U.S. Patent No. 5,581,023 (Handfield et al., February 1996). The entirety of those U.S. patents are hereby incorporated by reference. The transponder systems described in those U.S. patents disclose an interrogation unit associated with the transponder, at least one of a pressure sensor and a temperature sensor, and various types of tire / transponder identification among multiple transponder systems. Including technology. In most cases, such transponders require battery power.
[0012]
In some cases, the transponder can be implemented as an integrated circuit (IC) chip. Typically, IC chips and other components are mounted, connected, mounted and connected to a substrate such as a printed circuit board (PCB).
[0013]
Some proposed devices have relatively complex transponder sensor capabilities, including measurement and reporting of tire rotation and speed, tire ID, tire temperature, and tire pressure. For example, U.S. Pat. No. 5,562,787 (Koch et al., 1996) and U.S. Pat. No. 5,731,754 (Lee, Jr. et al., 1998), which are hereby incorporated by reference in their entirety. Included here.
Environmental considerations for transponders
The environment in which a transponder mounted on a tire must operate reliably presents a number of problems for successful operation of the transducer, including during manufacture and use of the tire. For example, the temperature range of the sensors (eg, for pressure and temperature) used in the transponder is preferably 125 ° C and must be able to withstand a manufacturing temperature of about 177 ° C. For truck tire applications, the operating range of the pressure sensor must be from about 345 kPa to about 827 kPa (from about 50 psi to about 120 psi) and can withstand a pressure of about 2759 kPa (about 400 psi) during tire manufacture. Must be able to do it. Its accuracy, including the sum of all contributors to its inaccuracy, must be on the order of plus or minus 3% of full scale. The repeatability and stability of the pressure signal must be within the specified accuracy range.
[0014]
However, it must be fulfilled, so that the tire transponder (tag) must be able to operate reliably despite a wide range of pressures and temperatures. Also, the tire transponder must be able to withstand the large mechanical shocks encountered when the vehicle is traveling on road speed bumps or depressions.
[0015]
A device that can be used to indicate whether a transponder or tire has been exposed to too high a temperature that could cause damage is a "MTMS" element or high temperature memory switch developed by Professor Mehran Mehregany of Case Western Reserve University. is there. This is a micromachined element that switches to a closed state at some high temperature point. The sensor switches from an "open" high resistance state, for example, greater than 1 megohm, to a "closed" low resistance state, for example, less than 100 ohms. Although it is generally known to use pressure transducers in pneumatic tires in combination with electronics to send pressure data, those pressure data systems for tires have suffered from the difficulties inherent in the tire environment. Was. Such difficulties include the effective and reliable coupling of RF signals to and from the tire, the rigorous use of tires and electronics, and the inclusion of pressure transducers and electronics in the tire / wheel system. This includes adverse effects on the tire. Another problem in the context of a "passive" RF transponder powered by an external reader / interrogator is a predictable and stable voltage level within the transponder so that the circuit within the transponder can execute its design specifications. May occur.
[0016]
Pressure transducers suitable for use on transponders mounted on tires include:
(A) a piezoelectric transducer,
(B) piezoresistive elements such as those disclosed in U.S. Pat. No. 3,893,228 (George et al., 1975) and U.S. Pat. No. 4,317,216 (Gragg, Jr., 1982);
(C) U.S. Patent No. 4,701,826 (Mikor, 1987); U.S. Patent No. 5,528,452 (Ko, 1996); U.S. Patent No. 5,706,565 (Sparks et al., 1998). ) And PCT / US99 / 16140 (Ko et al., Filed July 7, 1999), silicon capacitive pressure transducers,
(D) an element formed of a variable conductive laminate having conductance of ink,
(E) an element formed of a variable conductive elastic composition;
Is included.
Effect of temperature on gas pressure
In a broad sense, the pressure P, temperature T, and volume V can be easily measured for any gas mass in thermal equilibrium. For sufficiently low density values, (1) for a given mass of gas kept at a constant temperature, pressure is inversely proportional to volume (Boil's law), and (2) For a given mass of retained gas, volume is directly proportional to temperature (Charles and Gay-Lussac's law). This leads to the “state equation” of the ideal gas, that is, the “law of the ideal gas”.
[0017]
PV = μRT
here,
μ is the mass expressed in moles of gas,
R is a constant related to gas,
It is.
[0018]
Thus, for a trapped (fixed) volume of gas, such as air trapped in a pneumatic tire, a temperature (T) rise indicates a pressure (P) rise.
[0019]
Due to the ideal gas law relationship, in the context of pneumatic tires, one problem that arises during the operation of any kind of pressure sensor is that the tire heats up over long runs. As the tire heats up, the air trapped in the substantially constant closed volume of the tire expands, increasing the pressure in the tire, but the total amount of air in the tire remains the same. Since the nominal pressure is different, the tire pressure sensor will give a different instruction when the tire temperature is high than when it is low. This is why tire manufacturers and vehicle manufacturers recommend that vehicle owners check tire pressure when the tires are cold. Of course, a remote tire pressure sensor allows the driver to receive a continuous indication of tire pressure in the vehicle, but the indication may be incorrect due to temperature changes. Therefore, there is a need to compensate for temperature changes of the expanding medium ("gas" or air) in the pneumatic tire.
[0020]
U.S. patents that deal in some way with the effects of the gas law in pneumatic tires include:
[0021]
U.S. Patent No. 3,596,509 (Raffelli, 1971); U.S. Patent No. 4,335,283 (Migrin, 1982); U.S. Patent No. 4,126,772 (Pappas et al., 1978); U.S. Pat. No. 4,909,074 (Gerreheim et al., 1990); U.S. Pat. No. 5,050,110 (RotT, 1991); U.S. Pat. No. 5,230,243 (Reinecke, 1993); U.S. Pat. No. 4,966,034 (Bock et al., 1990); U.S. Pat. No. 5,140,851 (HetTrich et al., 1992); U.S. Pat. No. 4,567,459 (Folger et al., 1986). All of those US patents are hereby incorporated by reference in their entirety.
[0022]
U.S. Pat. No. 4,893,110 (Hebert, 1990), which is hereby incorporated by reference in its entirety, discloses a tire monitoring device that uses pressure and temperature measurements to detect abnormalities. I have. As stated therein, the ratio of temperature to pressure gives a first approximation of the number of moles of gas in the tire. It must be kept constant to prevent inflation fluid from leaking from the tire. (Column 1, lines 18-26). More specifically, U.S. Pat. No. 4,703,650 discloses a tire pressure sensor (4) and a tire temperature sensor (6) for each wheel, and the measured values as encoded signals. Elements (8 and 10) for sending to an on-board computer (12), such as an object, are incorporated. The computer processes the pressure and temperature measurements for each tire and estimates the calculated pressure / temperature ratio (P / T estimate) for each wheel. Generally, the ratio for one tire is compared with the ratio for at least one other tire, and an alarm is output when the comparison result (N) deviates from a predetermined value range.
Technology for sending pressure and temperature indications from tires
Given that both pressure and temperature conditions in a pneumatic tire can be measured, techniques have been developed to send signals indicative of the measured pressure and temperature conditions to an external interrogator / receiver. For example, reference is made to the following U.S. Patents, which are incorporated herein in their entirety:
[0023]
Transmit signals individually identified by phase shift: US Patent No. 4,174,515 (Marzolf, 1979);
Multiplexing signals: US Pat. No. 5,285,189 (Nowicki et al., 1994); US Pat. No. 5,297,424 (SacketT, 1994);
Encoding a signal as separate segments of a data word: US Pat. No. 5,231,872 (Bowler et al., 1993); US Pat. No. 4,695,823 (Vernon, 1987); At least one of the remote meter, the pressure sensor, and the temperature sensor is also included on the same integrated circuit chip;
Transmission between wheels and coils mounted on automobiles: U.S. Pat. No. 4,567,459 (Folger et al., 1986);
Using Frequency Displacement Key (FSK) Signals: US Pat. No. 5,228,337 (Sharpe et al., 1993);
U.S. Pat. No. 5,731,754 (Lee, Jr. et al., US Pat. No. 5,731,754) backscatter modulates an RF signal from an interrogator with state parameter data from a sensor and then returns the backscattered modulated signal to the interrogator. 1998)
U.S. Pat. No. 4,703,650 (Dosjoub et al., 1987), which is hereby incorporated by reference in its entirety, but which encodes the values of two variables measured in the tire; An apparatus for monitoring a tire using the circuit is disclosed. The encoding circuit includes an astable multivibrator that converts measurements of variables, eg, pressure and temperature, to time measurements. The astable multivibrator produces a pulse signal having a pulse width that is a function of temperature and a period ratio that is a function of pressure.
[0024]
U.S. Patent No. 5,054,315 (Dosjoub et al., 1991), which is hereby incorporated by reference in its entirety, describes a technique for encoding several quantity values measured in a tire. Has been disclosed. As disclosed there,
"The encoding of the value of any number of quantities measured in the tire, for example its pressure and temperature, is performed using the ratios of the time intervals TP / Tr, TT / Tr. This modulates the device. It should not be affected by the time lapse of the device, which simultaneously affects the numerator and denominator of the ratio. "
(Summary of the Invention)
In accordance with the present invention, a radio frequency (RF) transponder has circuitry that can transmit information unique to what ties the transponder to an external reader / interrogator. Also, one or more transponder sensors (transducers) perform real-time parameter measurements at the location of the transducer. The measurements are in the form of data in the data stream, superimposed on the signal output by the transponder, such as adding (modulating) the data stream to the RF signal sent by the transponder to an external reader / interrogator. Sent to reader / interrogator.
[0025]
According to the invention, usually two real-time parameters, pressure and temperature, are measured. The pressure is preferably measured by an independent ("off-chip") pressure sensor. The pressure sensor is of a type that changes its capacitance value in a known manner, such as a polynomial, or preferably as a substantially linear function of the ambient pressure. Preferably, the temperature sensor is embedded within the IC chip of the transponder ("on-chip") and is exposed to about the same ambient temperature as the pressure sensor receives so that the true temperature compensated pressure can be easily calculated. Be placed.
[0026]
According to an aspect of the invention, a transponder includes a measurement switching circuit, a set-reset circuit having a first phase path and a second phase path, and a measurement current source that supplies a measurement current to a relaxation oscillator having an output. A logic circuit, a measurement capacitor disposed in the measurement switching circuit, a first transistor controlled by the logic circuit to supply a measurement current to the measurement capacitor for charging the measurement capacitor, and a transistor controlled by the logic circuit And a current mirror for copying the measurement current in the second transistor and charging the measurement capacitor, wherein the logic circuit combines a signal indicative of the phase of the set-reset circuit with a signal from the timing generator. Control the alternating charging and discharging of the measuring capacitor according to the phase of the set-reset circuit. It is an.
[0027]
In accordance with a feature of this aspect of the invention, the measured current indicates the measured parameter, the measurement capacitor has a fixed capacitance value, and thus the relaxation oscillator output is a signal having a frequency indicative of the measured parameter. Alternatively, the measurement capacitor has a varying capacitance value indicating the measured parameter (eg, ambient pressure), and thus the relaxation oscillator output is a signal having a frequency indicating the measured parameter. Alternatively, the measured current indicates a first measured parameter, and the measuring capacitor has a varying capacitance value indicating a second measured parameter, so that the relaxation oscillator output is different from the first measured parameter and the second measured parameter. Is a signal having a frequency that is indicative of the measured parameter. A programmable current scaling circuit may be inserted between the measurement current source and the relaxation oscillator such that the measurement current is a scaled current, the current scaling circuit being controlled by setting at least one scaling trim bit. A switch is provided, each switch being connected in series with at least one scaling transistor to vary the scaled measured current according to a programmable trim setting. The relaxation oscillator compares the voltage on the measurement capacitor with a first fixed reference voltage and a second fixed reference voltage that is lower than the first fixed reference voltage. The relaxation oscillator comprises two comparators and is therefore characterized in that it oscillates between two fixed reference voltages. A bias control transistor can be added to be controlled by the logic circuit to connect a small bias current to the current mirror and discharge the measurement capacitor.
[0028]
According to an aspect of the invention, the relaxation oscillator may comprise a first measurement switching circuit and a second measurement switching circuit, each measurement switching circuit supplying a measurement capacitor and which measurement switching circuit supplies a voltage to the set-reset circuit. And a switch for controlling the operation. When used for measurement, each measurement switching circuit functions similarly to the individual measurement switching circuits described above. Typically, the measured current indicates the measured parameter (e.g., temperature) and the first measuring capacitor has a fixed capacitance value, so that the relaxation oscillator output is switched on when the first switch is closed and the second A signal having a frequency indicative of a first measured parameter when the switch is open, wherein a second measuring capacitor indicates a varying capacitance value indicative of a second measured parameter (eg, pressure); The relaxation oscillator output has a signal having a frequency indicative of the first measured parameter and the second measured parameter when the first switch is open and the second switch is closed. It is. As described above, a programmable current scaling circuit is provided for the measurement current source and the relaxation oscillator such that the measurement current used by the first and second measurement circuits in the relaxation oscillator is a scaled current. Can be inserted in between. Further, the programmable current scaling circuit switch can be controlled to provide different scaling factors for the scaled measurement current used by the two measurement switching circuits.
[0029]
According to an aspect of the invention, a method for generating an oscillation measurement signal on an RF transponder, such as the RF transponder described above, wherein the frequency of the oscillation measurement signal indicates a measured parameter is described. The method includes supplying a measurement current to charge a measurement capacitor in each measurement switching circuit of the relaxation oscillator, and then supplying a measurement current copied to the measurement capacitor to discharge the measurement capacitor. And alternately performing. A programmable scaled measurement current can be provided to the measurement switching circuit to optimize the measurement signal frequency to produce an optimized indication for each measured parameter. By grounding each measurement capacitor when each measurement capacitor is not used for measurement, the measurement capacitors can be placed in a defined state, with the input terminal grounded when the set-reset circuit is not used for measurement. The set-reset circuit can likewise be placed in a defined state. Finally, by adding a delay between when the relaxation oscillator is started and when the measurement signal is gated into the measurement counter / register, the relaxation oscillator can be stabilized before the indication of the measured parameter begins.
[0030]
Other objects, other aspects, and other advantages of the present invention will become apparent from the following description.
[0031]
(Detailed description of the invention)
Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the invention. Examples of these embodiments are shown in the accompanying drawings. The drawings are intended to be illustrative, not limiting. While the invention will be described in the context of those embodiments, it should be understood that it is not intended to limit the spirit and scope of the invention to those particular embodiments.
[0032]
Certain elements in the selected drawings may not be drawn to scale for clarity.
[0033]
Similar elements are often provided with similar reference numbers throughout the drawings. For example, element 199 in one figure (or embodiment) may be similar in many aspects to element 299 in another figure (or embodiment). Such relationships between similar elements in the various figures or various embodiments, if applicable, will be apparent throughout the specification, including the claims and the abstract. There will be.
[0034]
In some cases, similar elements can be referred to by similar numbers in a single drawing. For example, a plurality of elements 199 can be referenced by 199a, 199b, 199c, and the like.
[0035]
For simplicity of illustration, the cross-section shown here is in the form of a "round slice", if any, which is visible in the true cross-section, or a "myopia" cross-section. May be presented.
[0036]
The structure, operation and advantages of this preferred embodiment of the present invention will become more apparent from a consideration of the following description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
[0037]
As described above, it is an aspect of the present invention to provide a device that monitors tire pressure of a vehicle and alerts a driver when a low tire inflation pressure condition occurs.
[0038]
FIG. 1 shows a prior art RF transponder device 100 that includes an RF (radio frequency) transponder 102 disposed within (eg, mounted on an inner surface of) a pneumatic tire 104. (An antenna (not shown) is mounted in the tire 104 and connected to the transponder 102.) The transponder 102 has unique identification (ID) information (eg, its own serial number, or a combination thereof). The identification number of the object, eg, tire 104, and data indicative of parameter measurements, such as ambient pressure, detected by a sensor (not shown) associated with the transponder 102, are provided to an external reader / reader. An electronic device that can be transmitted to the interrogator 106. An external reader / interrogator 106 supplies an RF signal interrogating the transponder 102, an antenna 110, a display panel 112 for displaying information sent to / from the transponder 102, and a user operating the reader / interrogator 106. And an operation device (switch, button, knob, etc.) for operating the function of (1). Although shown as a hand-held device, the reader / interrogator can be an electronic device mounted in a vehicle (not shown). The present invention is primarily directed to implementing an RF transponder.
[0039]
As is known, at least one of the ID and the parameter measurement information can be encoded (added) in various ways on the signal sent by the transponder 102 and then read / read for display to the user. Interrogator 106 "decrypts" (restores). The RF transponder 102 can be “passive” and powered by the RF signal generated by the external reader / interrogator 106 and emitted by the antenna 108. Alternatively, the RF transponder 102 can be "active" and powered by a battery. Transponder devices such as the transponder device 100 described herein are well known.
[0040]
The pending PCT Patent Application No. Ser. PCT / US98 / 07338 discloses that a transponder, in particular its operating power is obtained from an external radio frequency (RF) source, and which is at least one of pressure and / or temperature data, hereby incorporated by reference in its entirety Disclose a "passive" transponder associated with a pneumatic tire for use in identification and transmission.
[0041]
The PCT patent application no. PCT / US98 / 07338 discloses a transponder that is an earlier model of the transponder of the present invention (model number "3070C"), which includes commonality with earlier models and improvements. Relevant parts of the previous model are described below with reference to FIGS. 2, 3, 3A, 3B and 3C.
[0042]
FIG. 2 is a block diagram of a model 3070C @ RF transponder 200 (compare 102) showing the main functional components. While this exemplary device is described as a preferred embodiment for measuring pressure and temperature, it is within the scope of the invention to include the measurement of other parameters, including suitable sensors.
[0043]
Transponder 200 is preferably implemented on a single integrated circuit (IC) chip, shown within dashed line 202. Several external components are connected to the integrated circuit. The other dashed lines in this figure include the main functional “blocks” of transponder 200, including transponder “heart” 204 and sensor interface 206. Components external to the IC chip 202 include an antenna system 210 including an antenna 212, a capacitor 214 connected in parallel to the antenna 212 to form an LC resonance tank circuit, and an external precision resistor (Rext) 216. And an external pressure sensing capacitor (Cp) 218 and an external maximum temperature measurement switch (MTMS) 220. Whether or not to use the maximum temperature measurement switch 220 is optional. Antenna 212 may be in the form of a coil antenna, loop antenna, dipole antenna, or the like. Alternatively, the signal output by the transponder can be provided on a transmission line. For some of these antenna embodiments (eg, a loop antenna), the capacitor 214 can be omitted. The reason is that the tuning of such an antenna does not benefit the capacitor. Most of the following description will refer to a transponder having a coil antenna.
[0044]
The pressure sensing capacitor Cp is preferably a rugged, low temperature coefficient sensor having a capacitance-to-pressure response with high sensitivity and good linearity within the pressure range of interest. One example is an all-silicon "touch mode" capacitive pressure sensor, such as the pressure sensor known in the art and described above.
[0045]
The transponder heart 204 processes an RF signal, such as an unmodulated 125 kHz (kilohertz) carrier signal, received by the antenna 212, rectifies the received RF signal, and supplies power to other circuits in the IC chip 202. An interface circuit 222 is provided. For example, the interface circuit provides a regulated power supply voltage (Vdd) of 2.5 volts and a bandgap voltage (Vbg) of 1.32 volts independent of temperature. The supply of various power supply voltages and reference voltages to the transponder circuit is described in detail below with reference to FIG. 3B. The interface circuit 222 receives the RF signal, preferably at the input frequency (Fi) at which it is received, and generates a clock signal in a known manner to control the timing of other circuits in the IC chip. And the output frequency (Fc) of the signal sent by the transponder 200 to an external reader / interrogator (eg, 106).
[0046]
Timing generator / sequencer circuit 226 receives clock pulses from clock generation circuit 224, processes (eg, divides) those clock pulses, and measures parameters (eg, temperature and pressure) for a predetermined time (eg, temperature and pressure). Each tTAnd tP) During the timing window (WTAnd WP, Described below). Timing window WTAnd WPCan be of approximately equal length or of different lengths. The timing generator / sequencer circuit 226 also controls the timing and sequence of various functions performed at the sensor interface 206 (eg, pressure measurement and capture, temperature measurement and capture, described below). The timing generator / sequencer circuit 226 is preferably implemented as an algorithm state machine (ASM).
[0047]
The transponder heart 204 includes a temperature register 232 (eg, 12 bits) that captures and stores the temperature measurement (count) and pressure measurement (count), a pressure register 234 (eg, 12 bit), and an EEPROM array. And a register / counter circuit 230 including a block 236 of addressable memory (e.g., 120 bits). Registers 232, 234 and EEPROM array 236 are shown within dashed lines 238 representing blocks of addressable memory on IC chip 202.
[0048]
Register / counter circuit 230 also includes a multiplexer and column decoder 240 and a row decoder 242 to control the order in which signals (eg, data) are sent over lines 244 to modulation circuit 246. Modulation circuit 246 sends the selected tire operating characteristic measurements in the data stream to a reader / interrogator (eg, 106) via interface circuit 222 and antenna device 210.
[0049]
The transponder heart 204 also includes a baud rate generator 248 that controls the rate at which modulation information (eg, temperature and pressure measurements) is provided to the modulation circuit 246. The baud rate generator 248 includes a data carrier clock that controls the output frequency Fc of the transponder, and a data rate that controls the rate at which the data stream containing measured values, calibration information, identification codes, etc. modulates the output carrier signal of the transponder 200. Also supplies a clock.
[0050]
Sensor interface 206 provides an output current I (T) / N associated with a predictable characteristic voltage of a temperature sensing component (eg, Vbe of transistor Q1, described below) superimposed on external resistance (Rext) 216 on line 251. Includes circuitry 250 generated above. The output current I (T) / N on line 251 is provided to relaxation oscillator 252. In general terms, relaxation oscillator 252 includes an output current I (T) / N on line 251 and an internal capacitance C associated with relaxation oscillator 252.FX1, CFX2It oscillates at a frequency controlled by the voltage change rate (dV / dT), which is a function of an external capacitance (Cp) 218 that can be connected to the oscillator circuit by a switch. As will be described in greater detail below, an output signal Fosc 'from the relaxation oscillator 252 is provided on line 253, indicating the ambient temperature and pressure. As used herein, the term "ambient" refers to a parameter measured near the transponder 200, or more specifically, near each sensor associated with the transponder 200. When the transponders 200, 102 are mounted in a pneumatic tire (eg, 104), “ambient pressure” and “ambient temperature” refer to the pressure and temperature of the inflation medium (eg, air) in the tire 104.
[0051]
In operation, an RF signal from an external source (ie, a reader / interrogator, not shown, see 106) is received by antenna 212. This RF signal is rectified and used to supply power to the RF transponder 200. The modulation information applied to the modulation circuit 246 is used to change various characteristics (for example, impedance, resonance frequency, and the like) of the antenna device 210. These changes are detected by the external reader / interrogator 106 and decoded to send temperature and pressure information from the RF transponder 200 to the external reader / interrogator 106.
[0052]
The timing generator / sequencer circuit 226 controls when the generation of the frequency Fosc ′ output by the relaxation oscillator 252 includes the external pressure detection capacitance (Cp) 218 and counts the pressure via the data acquisition circuit 254. It also controls the acquisition of the temperature count. For example, to measure the temperature, the temperature sensing current I (T) is applied to the internal oscillator capacitor (CFX1And CFX2), But the pressure sensing volumes (Cp) 218 are disconnected (not included) from those volumes. This means that the frequency Fosc 'of the oscillator output signal seen on line 253 is a function of temperature only. When the pressure sensing capacitor (Cp) 218 is "connected", the frequency Fosc 'of the output signal of the oscillator 252 on line 253 is a function of both pressure and temperature, as will be described in greater detail below. As will be described in greater detail below, an algorithm that is a reader / interrogator 106 is employed to derive a "pressure only" indication from the pressure-temperature measurement.
[0053]
References made herein to “pressure indication”, “pressure count”, “pressure response”, “pressure register”, etc., refer to the “pressure indication” actually measured by this transponder technique which produces a hybrid pressure-temperature indication. ] As a whole. Once the hybrid instruction has been processed to remove the temperature component of the hybrid instruction, the instruction is referred to as a "pressure only" instruction.
[0054]
As controlled by the timing generator / sequencer circuit 226, the data acquisition circuit 254 outputs the relaxation oscillator output signal Fosc 'to the temperature register 232 via line 255, depending on whether temperature or pressure is being measured. Or via line 257 to the pressure register 234. The counter converts the oscillator frequency Fosc 'into a count stored in registers 232,234. The timing "window" provided by the timing generator / sequencer circuit 226 has a known controlled duration. As a result, the count remaining (acquired) in the temperature register 232 or the pressure register 234 when the timing window is "closed" is a function of (proportional to) the frequency Fosc 'of the relaxation oscillator 252, and therefore its timing window Whatever temperature or pressure is measured during it is a function of temperature or pressure.
[0055]
An EEPROM array 236 is provided to read / write the temperature and pressure counts (NT, NP, respectively, described in greater detail below) into temperature and pressure indications that can be displayed to a user via display 112, for example. Used to hold calibration constants used by the interrogator (eg, 106). EEPROM array 236 may also store the transponder ID, calibration data for the transponder, and other data specific to a given transponder.
[0056]
FIG. 3 is a more detailed circuit diagram 300 of some of the components of the transponder 200 of FIG. 2, mainly those described above with respect to the sensor interface unit 206 of FIG.
[0057]
In this circuit diagram 300, ordinary circuit symbols are used. For example, lines that intersect each other are not connected to each other unless there is a “black point” at the intersection, and lines are connected to each other if there is a black point. The usual symbols are also used for transistors, diodes, ground connections, resistors, capacitors, switches, comparators, inverters, logic gates (eg, “AND”, “NAND”, “OR”, “NOR”). I have.
[0058]
This circuit is described with respect to a CMOS embodiment. Here, the one with a number after “P” (for example, “P1”) indicates a PMOS (P-channel) transistor, and the one with a number after “N” (for example, “N1”). ) Indicates an NMOS (N-channel) transistor. CMOS transistors are of the FET (field effect transistor) type and have three "nodes" or "terminals"-a "source" (S), a "drain" (D), and a current flow between the source and the drain. Have a “gate” (G) that controls In the following description, some PMOS and CMOS transistors are "diode-connected," meaning that their drains (D) are connected to their gates (G). It will be obvious. The general theory of operation of transistors, especially CMOS, is well known to those skilled in the art to which this invention most closely belongs.
[0059]
As will be apparent from the description below, several CMOS transistors are connected in a "current mirror" configuration. The concept of a current mirror is well known, and its simplest form uses two transistors of the same polarity (eg, two PMOS transistors), the gates of which are connected together and the pair of transistors One is diode-connected. Current mirrors generally involve passing current through a diode-connected transistor. As a result, the gate voltage required to produce that current will be present in the diode-connected transistor. Generally, the gate voltage of a diode-connected transistor is forced to the voltage required to produce a mirror current flowing through the transistor. A diode-connected transistor, by definition, is mirrored because no gate current flows by applying the gate voltage of the diode-connected transistor to any other similarly connected transistor. Current flows through similarly connected transistors. Normally, current mirror transistors have the same physical area. In that case, the mirrored current is essentially the same as the current mirrored current. It is known that making one (of the area) of a transistor physically larger or smaller than the other results in a mirrored current that is larger or smaller than the current mirrored current. If such similarly connected transistors with different areas are connected in a current mirror configuration, the areas of the transistors that differ in scale (larger or smaller) will have correspondingly different magnitudes ( (Large or small) current.
[0060]
Hereinafter, in general, numerous connections between various parts of the circuit will be clearly shown in the figures, and the description will be directed to any connection between various parts of the circuit, all of which are clearly shown in the figures. Rather than listing, the emphasis will be placed on the various functions of the various components of the circuit and the various interactions between the various components.
[0061]
The antenna device 210 includes a coil antenna 212 and a capacitor 214 (connected between terminals of the coil antenna 212 to form an LC resonance tank circuit), and supplies an alternating current (AC) to the full-wave rectifier circuit 302. Whether or not the capacitor 214 is used is optional.
[0062]
The full-wave rectifier circuit 302 (equivalent to 222), as shown, has two PMOS transistors and two diodes connected in a conventional manner to provide a full-wave rectified direct current (DC) voltage. Is output to the line 303. A capacitor 304 is connected between line 303 and ground to "smooth" (filter) the fluctuations ("ripple") in the full-wave rectified direct current (DC) voltage present on line 303. The voltage on line 303 then becomes the voltage available for the remaining components of the transponder, in this case the positive supply voltage Vcc on line 303.
[0063]
A temperature detection circuit 306, substantially corresponding to the base-emitter voltage-to-current converter 250 of FIG. 2, is connected between line 303 (Vcc) and ground, and includes four CMOS transistors P1, P2 and N1, N2, And a bipolar transistor Q1 and is connected to an external resistor 216 (Rext). The transistors P2 and N1 are diode-connected as shown. The two transistors P1 and P2 are connected in a current mirror configuration, and the two transistors N1 and N2 are also connected in a current mirror configuration that can be generally considered. The source (S) of the transistor N1 is grounded via the transistor Q1, and grounded via the source external resistance (Rext) 216 of the transistor N2.
[0064]
As will be apparent, the ability of the temperature sensing circuit 306 to generate a signal (ie, current) that is proportional to the sensed ambient temperature (eg, in the tire to which the transponder is associated) is the performance of the transistor Q1. The base-emitter voltage largely depends on the very predictable and repeatable characteristics of temperature. Resistor (Rext) 216 is an external precision reference resistor whose value is almost independent of temperature (as opposed to the temperature dependence of transistor Q1). A suitable value for the resistor (Rext) 216 is, for example, 20.5 kOhm or 455 kOhm.
[0065]
Transistor N2 is connected in "source-follower" mode between transistor P2 and an external resistor (Rext) 216. When a voltage is applied to the gate (G) of transistor N2, its source voltage "follows" its gate voltage (minus the inherent voltage drop (Vgs) between its gate and its source).
[0066]
When current flows through transistor N1, its gate voltage is canceled by the gate-source voltage drop (Vgs) of transistor N1 which is higher than the emitter voltage of transistor Q1. Since transistors N1 and N2 are substantially identical, the same current flows through each of the two transistors N1 and N2, and their gate-source voltage drop (Vgs) is the same. As a result, the voltage across the external resistor (Rext) 216 at the source of transistor N2 is approximately equal to the voltage at the emitter of transistor Q1. Therefore, applying Ohm's law (E = IR or I = E / R), the current flowing through the external resistor (Rext) 216 is obtained by dividing the emitter voltage of the transistor Q1 by the external resistor (Rext) 216 resistance value. equal.
[0067]
In normal operation, all current flowing through external resistor (Rext) 216 flows through the source of transistor N2, and thus through diode-connected transistor P2. Due to the current mirror connection, the current flowing through transistor P2 is duplicated (mirrored) in transistor P1. This ensures that the currents flowing through the transistors N1 and N2 are always the same, thereby ensuring that the emitter voltage of the transistor Q1 and the terminal voltage of the external resistor (Rext) 216 are the same independently of voltage fluctuations and processing differences. Help them do more. As described above, transistors N1 and N2 are connected in a manner that can be generally considered a current mirror configuration. However, since they are not connected exactly the same, the function of those transistors in circuit 306 is primarily to "match" Q1 and the external resistance (Rext).
[0068]
In short, the temperature detection circuit 306 makes it possible to predict the current I (T) flowing through the external resistance (Rext), and to make it a function of the absolute temperature (T) of the transistor Q1. As will be described in more detail below, the current I (T) flowing through the external resistor (Rext) 216 is mirror-transferred to a relaxation oscillator (316, described below) to provide a signal indicative of the temperature of transistor Q1 to an external source. To the reader (106, FIG. 1). As will be described in more detail below, the output frequency Fosc 'of the relaxation oscillator 312 is a function of the absolute temperature (T) of the transistor Q1.
[0069]
In this regard, it is useful to note that it is essentially the transistor Q1 that is employed as the temperature sensing element of the entire transponder circuit. This transponder circuit takes advantage of the inherent characteristics of such transistors manufactured in CMOS technology that the base-emitter voltage of transistor Q1 varies by a predictable amount -2.2 mv / ° C (millivolts per degree Celsius). This is advantageous because it is employed.
[0070]
It should be noted that the transponder of the present invention is described in terms of a "passive" device, which relies on RF power supplied by an external source (106, FIG. 1) to power its circuitry. . However, it is within the scope of the present invention that the transponder includes its own power source, such as a battery. In either case, it is important that when initially applying power, as described with respect to the temperature detection circuit 306, "gradual" reach from its quiescent state to its normal operating state. To that end, two lines 305 and 307 connected between the temperature detection circuit 306 and the “start” circuit 308 are shown.
[0071]
The start-up circuit 308 (which is also part of the base-emitter voltage-to-current converter 250 of FIG. 2) is connected between the power supply voltage (Vcc) on line 303 and ground to serve two primary purposes. (I) flowing a current to the temperature detection circuit 306 when the transponder (200) is first started from a state in which power is not supplied; and (ii) a current based on a power supply based on a current flowing through the transistor P2. To a mirror-to-ground current.
[0072]
Startup is initiated by transistor P3. Transistor P3 is manufactured to have a high channel resistance to function in "weak pull mode". It is always "on" because its gate is grounded, and behaves essentially like a resistor with a high resistance value (eg,> 1 megohm).
[0073]
At start-up, since no current flows elsewhere in the circuit, transistor P3 operates to turn on transistor N3 by pulling the gate of transistor N3 toward the power supply voltage (Vcc). This effectively connects the grounded source of transistor N3 to its drain (D), thereby grounding the gates of transistors P1, P2, P4, and also grounding the drain of diode-connected transistor P2. Is done. Then, a current flows to the drain of the transistor N3 through the transistor P2 of the temperature detection circuit 306. Since transistors P1, P2, P4 are current mirrored (via "Pbias" line 305), the current now flowing through transistor P is mirrored at transistors P1 and P4. As current flows through transistor P4 into the drain of transistor N5, the current mirror connection between transistors N4 and N5 causes a corresponding current to flow through transistor N4, thereby pulling the gate of transistor N3 down to ground potential, thereby turning transistor N3 off. It effectively "stops" the flowing current.
[0074]
However, now the current is flowing through the current mirror transistors P1, P2 and P4, so the current flowing from the transistor P1 into the transistor Q1 through the diode-connected transistor N1 causes the temperature detection circuit 306 to operate in its stable operating point state ( "Start" in its zero current state). After start-up, transistor N3 is approximately "away" from the circuit and performs its intended function.
[0075]
Transistor N5 is connected to transistor N4 (and to transistor N6, as described below) in a current mirror configuration. Thus, essentially the same current flows through transistor N5 as the current flowing through external resistor (Rext) 216 flows through transistor N5, thereby setting the reference voltage (Nbias) on line 309. . Its reference voltage (Nbias) on line 309 and the supply voltage (Vdd) on line 309 ′ are provided to current scaling circuit 310.
[0076]
The power supply voltage (Vdd) on line 309 'can be provided in any suitable manner, such as a number of bandgap voltages (Vbg) generated in a conventional manner elsewhere on the chip, and its magnitude (e.g., 1.32 volts) must be independent of temperature, as is inherent in the silicon process employed for chip fabrication. The provision of such a stable (eg, bandgap) voltage (eg, Vbg) and a power supply voltage derived therefrom (eg, Vdd) is well within the purview of those skilled in the art to which this invention most closely belongs. Which will be described in greater detail later with reference to FIG.
[0077]
The current scaling circuit 310 (also part of the base-emitter voltage-to-current converter 250 of FIG. 2) is configured in an exemplary manner as follows. The sources of the transistors P5 and P6 are connected to the power supply voltage Vdd. The gate of transistor N6 receives a reference voltage (Nbias) on line 309. Transistor N6 is connected to transistor N5 (and said transistor N4) in a current mirror configuration, and thus mirrors the flow of current I (T) through transistors N4 and N5. Thus, the current flow through the diode-connected transistor P5 mirrors the current flow through the transistors N4, N5, N6.
[0078]
Although the transistors P5 and P6 are connected in a current mirror configuration, the current flowing through the transistor P6 is increased or decreased by the ratio (N) between the physical area of the transistor P5 and the physical area of the transistor P6. For example, if the size of transistor P6 is smaller than the size of transistor P5 (i.e., the face of transistor P5 is "N" times the area of transistor P6), the current flowing through transistor P6 is correspondingly smaller than the current flowing through transistor P5. And small (1 / N). Thus, the "scaled" current flowing through transistor P6 is labeled "I (T) / N" in the figure and is provided via line 311 to relaxation oscillator circuit 312 (see 252). The ratio of the currents flowing through transistors P5 and P6 may be such that one of the transistors is simply made larger than the other, or the other of the two transistors may be two or It can be easily set by a conventional circuit processing technique such as manufacturing as a set of transistors having the same dimensions.
[0079]
Relaxation oscillator circuit 312 (see 252) is of a fairly conventional configuration and includes a measurement switching circuit 315 at the "front end" of set-reset circuit 314, which provides two phase paths 314a and 314b. This circuit 315 includes a measuring capacitor C at the front end of one phase path (φ1) 314a.FX1And a pair of complementary transistors P7 and N7 connected to the side to be charged and another measuring capacitor CFX2And a pair of complementary transistors P8 and N8 connected to the side to be charged and a switch 350 for adding a positive and another measuring capacitor Cp. The measuring capacitor CFX2, the switch 350 and the measuring capacitor CP are all at the front end of the other phase path (φ2).
[0080]
Because the connections are shown as shown for a given transistor pair (eg, P7 and N7), if their common gate voltage is high (ie, toward a positive power supply), their output (eg, phase path) 314a) is grounded (grounded and isolated from the current I (T) / N on line 311), and when the common gate voltage of those transistors is low, its output is connected through line 311 to the phase of relaxation oscillator 312. It supplies a current I (T) / N that flows through each one of the paths (eg, 314a). As is known for circuits such as relaxation oscillator 312, if the common gate voltage at one of the pair of transistors (eg, P7 and N7) is high, the common gate voltage at the other of the pair of transistors (eg, P7 and N7) Is low, and vice versa. Thus, each phase path 314a and 314b has a certain duty cycle (ie, its "on" time). Its duty cycle can be the same or different from the duty cycle of the other phase paths 314a and 314b, respectively. Then, each transistor pair (eg, P7 and N7) can be considered an “input switch” to its respective phase path (eg, 314a).
[0081]
Each phase path 314a and 314b of relaxation oscillator 312 has a comparator 316a and 316b at its input terminal, respectively, and is fixed between the negative (-) input terminal of comparators 316a and 316b and ground. Capacitors CFX1 and CFX2 having different values. Capacitor CFX1And CFX2Have a capacitance of, for example, 2-5 pf (picofarad) and 2-5 pf, respectively, and can be implemented as equal value "on-chip" devices, such as poly-poly capacitors that exhibit a low temperature coefficient (eg, less than 20 ppm). preferable. The positive (+) input terminals of comparators 316a and 316b are connected together and set to a temperature independent reference threshold voltage Vbg, such as 1.32 volts.
[0082]
"NOR" gates 318a and 318b are connected to the input terminals of each phase path 314a and 314b, respectively, and the two NOR gates 318a and 318b are cross-coupled to form a holding circuit that produces an output on lines 319a and 319b. . Thus, cross-coupled NOR gates 318a and 318b can function as flip-flops, ie, RS (reset / set) latches.
[0083]
If the common gate voltage of one of the input switches (eg, P7 and N7) is high, the respective capacitor (eg, CFX1) for its phase path (eg, 314a) is grounded (shortened to lose charge). Is). Conversely, if the common gate voltage of one of the input switches (eg, P7 and N7) is low, the scaled current I (T) / N from line 311 will be due to its phase path (eg, 314a). Of each capacitor (for example, CFX1) Is added (allowed to flow), and the capacitor begins to charge (the voltage across the capacitor increases). Capacitor CFX1/ CFX2When the voltage between the terminals reaches the reference voltage Vbg of the comparator, the output of the comparator 316a / 316b goes low, changing the state of the output of the latch 318a / 318b on the line 319a / 319b. Thus, the relaxation oscillator 312 is connected to the capacitor CFX1And CFX2Rise time, and importantly, capacitor CFX1And CFX2Oscillates at a frequency Fosc determined by the scaled current I (T) / N supplied to When a larger current I (T) / N is supplied, the capacitor CFX1And CFX2Rises faster, crosses the threshold voltage faster, causing the relaxation oscillator 312 to oscillate faster, thereby increasing the frequency Fosc of the signal on line 319a. The signal on line 319a is inverted by inverter 320 as shown to provide frequency Fosc 'on line 321.
[0084]
As will be described in more detail below, the oscillator 312 operates in two mutually exclusive modes of a temperature detection mode (between times t0 and t1) and a pressure detection mode (between times t1 and t2). , A timing generator / sequencer. The frequency Fosc (and Fosc ') of the oscillator output signal is different in each of these modes.
Generation of temperature and pressure readings
In the example of the situation of the transponder 200 associated with a pneumatic tire, it is mainly desirable to determine the pressure in the pneumatic tire. For example, a typical passenger car can properly inflate at about 221 kPa (about 32 psi). Tire inflation pressure is usually specified as the "normal temperature" pressure (measured when the tire is not generating heat from running) and the monitoring device is most likely in use and therefore a "hot" tire. It is secondly desirable to determine the temperature of the inflation medium (e.g., air) inside the pneumatic tire because it signals the pressure measured within. Using the temperature measurements, the monitoring device (eg, 106) can convert the measured pressure to “normal” pressure, for example, with a simple calculation based on the ideal gas law (PV = μRT). This "normal temperature" pressure can be considered a "temperature independent" pressure, which is also indicative of the mass of air contained within the tire. Referring to transponder 200, the hybrid "pressure" measurement it produces must be able to convert only the true pressure into a measurement before it can be used for such gas law calculations (by various calculations described in detail below). ).
[0085]
For example, it has been estimated that a 10% reduction in fuel consumption can be achieved if the pneumatic tire of the vehicle runs at its specified pressure. Professional truck drivers are usually susceptible to this problem and frequently check and adjust tire pressure, while the average driver of a passenger car is aware of tire pressure, for example, until the tire is visibly dented Things are often less. In such a case, an LCD (Liquid Crystal Display) indication on the vehicle dashboard provides the driver with dynamic tire inflation information. A transponder such as the transponder described here is mounted on the pneumatic tire of the vehicle. Significantly, there is the emergence of "run flat" tires marketed by various tire manufacturers. Goodyear's EMT (extended @ mobility @ technology) series tires are an example of a "run flat" tire. Its overall purpose is to maintain normal vehicle control with punctured ("flattened") tires at "reasonable" driving speed (eg, about 144 kilometers per hour (about 60 miles per hour)) While traveling about 120 kilometers (up to about 50 miles). Such run-flat tires are generally well known and as such do not form a part of the present invention. If you are running “flat” on runflat tires, the tires are actually “flat” and must be located at the closest convenient location to the driver (and before the runflat mileage limit). It is particularly important that the driver be alerted to the fact that the driver is driving for "borrowed time" primarily indicated visually or by voice (beep) that repairs are needed It is.
[0086]
By allowing the relaxation oscillator 312 to operate, the frequency Fosc (and Fosc ') of its output signal is a function of the (detected) absolute temperature of transistor Q1. This is the case in temperature sensing mode operation and pressure sensing mode operation.
[0087]
In the temperature detection mode, the capacitor CFX1And CFX2In this case, relaxation oscillator 312 has a symmetric (balanced, 50%) duty cycle. In the pressure detection mode, the pressure detection capacitor (Cp) 218FX2Is switched by a semiconductor switch 350 between the terminals of the first and second terminals. It changes the duty cycle of the relaxation oscillator 312 and the output frequency Fosc (and Fosc ').
[0088]
In the pressure detection mode, the fixed capacitor CFX1And CFX2Only are alternately charged (and discharged) resulting in a 50% duty cycle whose period is proportional to ambient temperature. In the pressure detection mode, the pressure detection capacitor (Cp) 218 is switched to the phase path 314b of the oscillator 312. Thus, for a given temperature, the phase path 314a behaves the same as in the temperature sensing mode during the first half of the oscillator period and the phase period 314b during the second half of the oscillator period has a fixed capacitor CFX2And the capacitance value of the pressure detection capacitor (Cp) 218. This in effect slows down the oscillator and changes its duty cycle. The duty cycle changes are Cp and CFX2Shows the ratio of Thus, from the ratio of the two periods (with and without Cp in the circuit), it is easy to calculate what the additional capacitance Cp is and thus what the detected pressure is. is there. As will be described in detail later, the temperature dependence of the oscillator output in the pressure detection mode can be completely eliminated in a linear manner.
[0089]
When the operation of the oscillator "slows down" when the pressure sensing capacitor (Cp) 218 is switched to the oscillator circuit, the counting oscillator output pulse during a given pressure measurement window (eg, Wp) will be similar. Temperature measurement window (eg, WTIt is inevitable that the number of output pulses of the counting oscillator in () becomes relatively smaller (the output frequency becomes lower). In other words, a "slow" oscillator reduces the rate at which counts indicative of parameter measurements are collected. In order to increase the resolution (number) of the count (Np) generated during the pressure measurement window (Wp), the size of the pressure measurement window (Wp) is adjusted so that an appropriate number of pressure counts can be obtained. Can be increased (variable duration). This means that the value at time t2, which defines the end of the pressure measurement window (WP) in the pressure detection mode (between times t1 and t2), is simply increased by the timing generator / sequencer circuit 226 controlling that value (others). Than in the case). For example, the temperature measurement window WT(Between times t0 and t1) can be on the order of a few milliseconds (eg, 8 milliseconds). Alternatively, increasing the fundamental frequency of the relaxation oscillator 312 by allowing the scaled current (I (T) / N) flowing from the current scaling circuit 310 to the relaxation oscillator 312 to increase during the pressure measurement window (Wp). Is intended to increase the overall resolution of the pressure count. This can be easily performed, for example, in the case of the transistor P6 having a smaller size (area) than the transistor P5, by simply turning on the transistor P6 '(not shown) instead of the transistor P6. The area of transistor P6 'is increased such that the area ratio of transistors P5 and P6 is close to 1 (i.e., the degree of decrease is small), and the current to relaxation oscillator 312 increases, and thus its counting speed increases. Larger than the area. Such conduction of the other transistor P6 'is easily accomplished with a switch (not shown) comparable to the switch 350 that switches the pressure sensing capacitor (Cp) 218. One of ordinary skill in the art to which the present invention most closely pertains will appreciate how to avoid "slowing down" the oscillator when the pressure sensing capacitor (Cp) 218 is connected to the oscillator circuit in accordance with the teachings herein. It will be easily understood.
Optimization of pressure response
In order to obtain (and display) a precise pressure reading that is of utmost importance when monitoring the pressure of a pneumatic tire, certain parameters of the transponder circuit are determined to maximize its pressure responsiveness, and thus external reading The accuracy of the pressure reading displayed by the instrument / interrogator (eg, 106) can be increased.
[0090]
As described above, this transponder responds to the changing capacitance of the pressure sensor or pressure sensing capacitor (Cp) 218 by changing the value of the 12-bit word sent to the external reader / interrogator 106. This binary word is a count of the oscillator frequency during the pressure measurement window (Wp) (between times t1 and t2) set by the timing generator sequencer 226. Accordingly, the pressure response can be described as a count change per unit change in the capacitance of the pressure detection capacitor (Cp) 218.
[0091]
It has been found that the transponder pressure response (and resolution) depends on several factors. Each of these factors can be analyzed. For example,
(A) Temperature measurement window WTIncreasing the pressure measurement window Wp to make it larger increases the pressure count Np for a given value of the pressure sensing capacitor (Cp) 218 to compare the frequency of the oscillator that occurs during pressure measurement with that during temperature measurement. And relatively low (as detailed above).
[0092]
(B) Increasing the scaled current I (T) / N supplied to the oscillator 312 causes the pressure count Np to increase proportionally for a given value of the pressure sensing capacitor (Cp) 218.
[0093]
(C) Capacitor CFX1And CFX2Increases the pressure count Np for a given value of the pressure sensing capacitor (Cp) 218.
[0094]
(D) Increasing the scaled current I (T) / N increases the pressure count Np (for a given value of the pressure sensing capacitor Cp)FX1And CFX2It is faster than the decrease in the value and increases in proportion to the increase.
[0095]
(E) If the scaled current I (T) / N is increased and the current cannot be increased only during the pressure measurement window Wp, the pressure count Np and the temperature count NTIncrease.
[0096]
(F) Capacitor CFX1And CFX2Decreases the pressure count Np and the temperature count Np, even if only one of the capacitors is changed.TIncrease.
[0097]
As a general proposal, it is desirable to increase the pressure count Np. However, those skilled in the art to which the invention most closely pertains will recognize that there is a practical upper limit to increasing the pressure count at frequencies that may be unacceptably high for the performance of certain circuits of the IC chip. It will be easily understood.
Measuring parameters
FIG. 3A shows the components involved in the final stage of obtaining the temperature and pressure measurements at the transponder. The signal Fosc 'output by the relaxation oscillator 312 is supplied to the input terminals of the two AND gates 360 and 362 of the data acquisition circuit 254 via the line 321 (see 253). Count ("data" or "indicated value") indicating the measured temperature NTIs loaded into the temperature register 232 via line 255 so that the temperature measurement window (WT) Is supplied to the other input of the AND gate 360 by the timing generator / sequencer 226. During the pressure measurement window (Wp), another data signal (“Capture @ Press”) is generated by the timing generator so as to load the pressure register 234 with a count (“data” or “indicative value”) indicating the measured pressure. / Sequencer 226 supplies the other input terminal of AND gate 362. Each register 232, 234 is associated with a counter (not shown) to convert the incoming oscillation signal Fosc 'into a stored count. Then two counts NT, Np are sent out from the registers 232 and 234 to the modulation circuit 246 via the MUX 240.
[0098]
When the transponder is powered, the temperature and pressure are measured continuously and those measurements are sent to the external reader / interrogator 106 as data words in the data stream. For example, each of the temperature and pressure parameters can be sent to the reader / interrogator 106 as a 12-bit data word in a selected (known) portion of a larger (eg, 144-bit) data stream. One bit in the entire data stream can be dedicated to the state of the MTMS switch 220 (eg, “closed” or “open”). A complete description of an example of a data stream sent by a transponder to an external reader / interrogator is described below with reference to FIG. 3C.
[0099]
Temperature is a fixed time (window W of time from t0 to t1) with period tTT) Is properly measured by counting the number of cycles output from the oscillator 312. For example, a down counter (not shown, but associated with temperature register 232) may be clocked by an oscillator to provide a window WTPeriod tTTemperature count N at the end ofTTo be able to occur. Temperature count NTThe relationship between temperature and temperature is nearly linear for the circuit 300 of this embodiment.
[0100]
Similarly, the period tPIs properly measured by counting the number of cycles output from the oscillator 312 during a fixed time (window Wp from t1 to t2) having For example, a down counter (not shown, but associated with pressure register 234) may be clocked by an oscillator to generate a period t of window Wp.PAt the end of the pressure count Np. The relationship between the pressure count Np and the pressure is a predictable function of the actual pressure and temperature for the circuit 300 of this embodiment. As described below, the temperature count (NT) And the "pressure" count (Np), this hybrid pressure-temperature value can be used to determine a pressure-only value.
Obtain pressure-only readings in reader / interrogator
The fundamental frequency of oscillator 312 is set on the IC chip (eg, 202) and, as described above, is temperature dependent. Thus, the pressure response, or pressure count Np, is a function (hybrid) of temperature and pressure, and the relationship between Np and Cp is non-linear. Therefore, using linear equations to calculate the pressure response will inevitably result in large errors over the range of pressures measured. However, to measure over a limited range of pressures, for example, a range of about 138 kPa (20 psi), using a linear equation may be acceptable. A better approximation may be obtained using multi-dimensional equations, but this complicates the reader / interrogator logic, slows down the response, and requires additional calibration constants.
[0101]
The advantage of using the above transponder circuit is that NT/ Np and the pressure sensor capacitance Cp are linear, and the reader / interrogator 106 does not require a temperature compensation term in the equation (algorithm) used by it to calculate the pressure, and thus the reader / Make interrogator design extremely simple. (This also assumes the use of a pressure sensor (Cp) 218 that has a nearly linear relationship between pressure and capacity.) This advantageous "ratiometric" relationship is easily illustrated by the following equation: Can be.
[0102]
In general,
Count = window time to be counted (t) * frequency (F)
H = 1 / period
Charging time = V * C / I
For a capacitor whose capacitance to be charged to voltage V with current I is C.
[0103]
Since the period of the relaxation oscillator 312 having the output signal whose frequency is Fosc 'is the sum of the charging times of the capacitors in the two phase paths 314a and 314b, CFX1And CFX2Can be handled to obtain a general equation for counting from such relaxation oscillators with For example,
Count = t / (V * CFX1/ I + CFX2/ I)
= T * I / (V * (CFX1+ CFX2))
Substituting values for temperature count and pressure count
NT= (TT* I (T) / nT) / (Vbg * (CFX1+ CFX2))
... [Formula A]
Np = (tP* I (T) / nP) / (Vbg * (CFX1+ CFX2+ Cp)) where nTAnd nPIs the value of the conversion factor N in the scaled current I (T) / N, which can be different between the temperature measurement window and the pressure measurement window.
[0104]
Formula NTDivided by Np
NT/ Np = (tT/ TP) * (NT/ NP) * (CFX1+ CFX2+ Cp) / (CFX1+ CFX2)
That is,
NT/ Np = (tT/ TP) * (NT/ NP) * (1+ (Cp / (CFX1+ C
FX2))
... [Equation B]
Is obtained. Since the terms on the right side of the equation B are all constants except for the pressure detection capacity Cp, NTIt can be seen that there is a linear relationship between / Np and Cp (and therefore pressure). This is NTThis means that / Np is only a function of pressure and is not affected by temperature changes or fluctuations in capacitor charging current.
[0105]
If none of the response optimization steps described above are used, capacitor CFX1And CFX2Have the same value CFXAnd the measurement window WTAnd Wp have the same time width tT= TP= TW(For example, 8.192 ms) and the current reduction coefficient nTAnd nPHave the same value N, so equation B can be simplified.
[0106]
NT/ Np = 1 + (Cp / 2 * CFX)
From equation A, the temperature count NTIt can be seen that a linear relationship already exists between the current and the current I (T), which is proportional to temperature.
[0107]
It can be seen that there is a linear relationship in both measurement equations A and B, but the slope and intersection of those equations is a complex combination of many parameters specific to a given transponder configuration, and the manufacturing error Even for each transponder in a given configuration. In a simple embodiment of the invention, the transponder has a count NTAnd Np can be sent to the reader / interrogator, and the reader / interrogator must use the assumed mean values for slope and intersection to determine temperature and pressure. Because this introduces significant inaccuracies, the preferred embodiment described herein stores the calibration constants in the transponder's memory (eg, 236) and the reader / interrogator (eg, 106) In order to be able to accurately calculate the temperature and pressure using the linear equations specifically prepared / optimized for the individual transponders generating theTAnd with Np. The linear equation used in the reader / interrogator example (eg, 106) is in the well-known “point-slope” form.
[0108]
yy1= M (xx1)
here,
(X1, Y1) Is the defining point (defining point)
m is a gradient.
The gradient m is a straight line (x1, Y1), (X2, Y2) Can be determined from any two points above.
[0109]
m = (y2-Y1) / (X2-X1)
Substituting for x and y, the specific equation for the temperature line is
NT-NT1= MT(TT1)
become. Temperature T1If you select a value such as 25 ° C for
NT-NT25= MT(T-25)
Is generated. This equation isTSolving for yields the following equation for the temperature response line:
[0110]
NT= MT(T-25) + NT25
Where the slope m of this temperature response lineTIs
mT= (NT2-NT1) / (T2−T1)
It is. As long as the reader / interrogator “knows” the assumed decision point temperature (eg, 25 ° C.), the calibration constant sent to the reader / interrogator, ie, the decision point temperature count NT25And the gradient mTAnd the temperature count NTThe temperature (T) can be calculated from the value received. A similar set of equations can be applied to determine pressure from sent pressure (and temperature) counts and pressure calibration constants. As noted above, the pressure-only reading is the ratio N instead of the pressure count Np itself.TIt can best be determined from a linear equation using / Np (temperature count divided by pressure count).
[0111]
The calibration constant determines the exposure of each transponder to a controlled, known combination of temperature and pressure conditions, and the temperature count N generated by that transponder.TAnd a corresponding calibration of the pressure count Np. Calculations on those calibration test results determine four calibration constants. The results are then stored in a transponder memory (eg, 236). The four calibration constants are temperature versus temperature count NTSlope and decision point for pressure linear response, and pressure (only) to count ratio NT/ Np is a number representing the slope and decision point for a linear response.
Reliable supply and reference voltage generation
As described above, the positive (+) input terminals (terminals) of comparators 316a and 316b are connected together and set to a temperature independent reference "bandgap" voltage Vbg, such as 1.32 volts. . Also, as mentioned above, the power supply voltage (Vdd) on line 309 'is provided as a number of reference bandgap voltages (Vbg) so as to be a stable operating voltage for current scaling circuit 310 and relaxation oscillator 312. it can.
[0112]
FIG. 3B shows a circuit 370 suitable for generating the power supply voltage Vdd. A bandgap voltage Vbg, which can be calculated independently of temperature, can be easily obtained as specific to the selected process (eg, CMOS) based on the processing techniques employed in IC chip fabrication. . This bandgap voltage Vbg is supplied to a positive (+) input terminal of an operational amplifier connected as shown to a feedback loop having a gain, and supplies a power supply voltage Vdd as an integral multiple of the bandgap voltage Vbg. .
Data flow example
As mentioned above, the information (data) from the transponder is sent in the form of a data stream to an external reader / interrogator. Part of that data stream is the temperature count NTAnd another part is the pressure count Np and another part represents the state of the MTMS switch (220) (eg, "closed" or "open"). The remainder of the data stream may include information specific to that transponder, such as the identity information (eg, serial number), calibration constants, etc., for a given transponder.
[0113]
FIG. 3C shows an example of the architecture of the information stored in memory (eg, 238) within transponder 200 and the data stream sent by transponder 200 to external reader / interrogator 106. The memory 238 of the transponder core 204 has an address space of, for example, 144 bits. Its address space is 119 bits of programmable memory and one address location dedicated to the state of the MTMS switch 220-those 120 bits of programmable memory make up the EEPROM 136. -Plus a temperature register 232 and a pressure register 234, each of 12 bits.
[0114]
Each of the 119 bits of programmable memory is separately written with any combination of data including sync pattern information, general data, error detection codes, and temperature and pressure calibration data. Can be included. The EEPROM is "writable in blocks". This means that in the "write mode", all 120 bits of the EEPROM are programmed to a logical (binary) value of "1". Individual bits can be “erased” (set to a logical value of “0” simply by locking the chip to the physical address of the bit and placing the chip in “erase” mode). Address locations are preserved.
[0115]
In this example, the first twelve data locations (000..011 in row 1) are reserved for synchronization. The next 71 data locations (012.082 in rows 2-7) are for general information and data validation algorithms such as CRC (cyclic redundancy check). The next data location (083) contains the logic level (state) of the MTMS switch 220. A logical value “1” indicates that the MTMS switch is open, and a logical value “0” indicates that the MTMS switch is closed.
[0116]
As mentioned above, each transponder unit is properly calibrated before being mounted in the tire. The next twelve data locations (084.095 in row 8) hold the temperature calibration (eg, decision point) data ("TEMP @ COMP"). The next twelve data locations (096..107 in row 9) hold pressure calibration (eg, decision point) data ("PRESS @ COMP"). The next twelve data locations (108..113 and 114.119 in row 10) each hold temperature and pressure calibration (eg, slope) information.
[0117]
As described above, count N for temperature and pressureTAnd Np are generated, they are stored in rows 11 and 12 of the overall memory space. The rows correspond to temperature register 232 and pressure register 234, respectively. Various predetermined values can be stored to indicate error conditions such as overflow and short circuit.
Operating frequency and modulation
The transponder of the present invention is not limited to any particular frequency. The choice of operating frequency depends on the location where the transponder is mounted, the location of the reader / interrogator antenna (108) and the selected part of the total RF frequency spectrum, in relation to the object to be monitored by the transponder. Permitting (or limiting) the transmission of data depends heavily on factors such as relevant national laws and regulations.
[0118]
Examples of suitable operating frequencies for transponder operation in the United States are 60 KHz to 490 KHz.
[0119]
The transponder can be polled (and powered) at a first "interrogation" frequency (Fi) by a reader / interrogator 106, and is a data stream divided by a factor of the interrogation frequency or an integer. Can be sent to the reader / interrogator at a convenient second "data carrier" frequency (Fc). For example, Fc = Fi / 2 or Fc = Fi / 4. The frequency (Fc) at which the data stream is sent to the reader / interrogator is independent of the data rate. The data transmission speed is set by a clock generator 224 and a baud rate generator 248. However, those skilled in the art to which the invention most closely pertains will recognize that the range of available baud rates is typically much lower than the interrogation frequency (Fi). The baud rate is preferably derived from the interrogator frequency (Fi), such as the integer divided by the interrogator interrogator frequency (Fi). For example, the baud rate can be set to Fi / 32 (or if Fc = Fi / 2, the baud rate can be set to Fc / 16).
[0120]
For example, the interrogation frequency (Fi) can be set to 125 KHz, the data carrier (Fc) to 62.5 KHz, or half the interrogation frequency.
[0121]
In another example, a query frequency (Fi) of 13.56 MHz has been found to be appropriate.
[0122]
A data stream, such as the example data stream described with reference to FIG. 3C, is provided by modulator circuit 246 to antenna 212 and sent to reader / interrogator 106. It is within the scope of the present invention to employ any suitable modulation method, including amplitude modulation (AM), frequency modulation (FM), frequency displacement keying (FSK), and phase displacement keying (PSK). However, phase displacement keying (PSK) is preferred. AM modulation is not particularly well suited for digital transmission. Frequency modulation methods, such as FM or FSK, have some problems in propagating data-modulated transponder output signals through the media of a pneumatic tire (eg, 104).
Ratio vs. signal strength
Ratio N for pressure indicationTThere is another advantage to using / Np. The reason for this is that the ratioed value is N to the change in coupling between the reader / interrogator and the transponder.TThis is because it has been confirmed that the user does not feel any more than when the measured value of Np is taken alone. This is shown in FIG. 3D, which shows a graph of measurement count (vertical axis 394) and power (horizontal axis 392). For a passive transponder 200, such as the transponder described in the preferred embodiment of the present invention, the transponder power is provided by an RF signal from a reader / interrogator (eg, 106). The power in the transponder 22 circuit may be reduced if the RF coupling strength is weakened by transmission or reception problems, including too long distances or jamming. Some value PWR1At lower power levels, the relaxation oscillator 312 outputs a lower Fosc 'than the normal frequency signal, and thus the temperature count NTAnd the pressure count Np are made smaller than would be naturally obtained for a given temperature and pressure. This effect is the minimum power PWR1Temperature count N extending belowTAnd a downward curve 398 of the pressure count Np. Fortunately, the effect of low power is proportionally the same for both counts, so the ratio NT/ Np (curve 399) is the minimum power PWR required to operate the transponder 2000Relatively stable for all power levels up to. Therefore, N at the transponderTBy determining the ratioed value of / Np (during calibration) and storing the calibration data, a pressure-only reading that is less sensitive to variations in the coupling between the reader / interrogator and the transponder The ability to determine is simplified and made more reliable.
Improved, general
The present invention deals with a new "RFIQ" transponder 400 (see FIG. 4A) that implements an improvement over the conventional model "3070C" transponder 200 described above. Several improvements have been made and new features obtained, including but not limited to the following:
・ Small power consumption,
.Improvement of oscillator stability with respect to power or frequency,
・ Improved resolution of temperature count and pressure count,
・ Electrostatic discharge (ESD) prevention is improved to 2200V or more,
・ Improvement of programmable modulation degree (the magnitude of PSK modulation added to RF signal)
Reduced number of external connection pins for programming and testing,
・ Improved testability in digital and analog,
An increase in the data stream to 192 bits,
An increase in the programmable EEPROM to 156 bits,
・ Programmable by the attached antenna,
Parity 6 bits -NT, 1 bit for every 4 bits of Np data,
The ability to programmably reduce current to independently optimize the indicated counts for pressure and temperature;
A mode of supplying power from a 3V battery for use in the "active" implementation of the transponder ("active tags",
・ Power on reset
・ Baseband data output to test pins.
Problems to be solved
In particular, the configuration of the above-described conventional transponder 200 has a general problem. Some of these problems are ameliorated by the improvements that are the subject of the present invention.
[0123]
Pressure count Np and temperature count N for a desired pressure range and a desired temperature rangeTAlthough the relaxation oscillator of the transponder 200 of the conventional configuration can be adjusted to optimize, the adjustment can only be performed during the manufacture of the integrated circuit. After manufacture of the integrated circuits their counts Np and NTIt is desirable to have a method that optimizes
[0124]
When using a transponder 200 of conventional configuration (as a passive transponder), incorrect results may be obtained when the power input is too low, such as during start-up, or when far away from the reader / interrogator. May be sent. (See, for example, FIG. 3D.) Also, conventional models start modulation (transmission) immediately upon receiving an interrogation signal of any strength and start transmission at random locations in the data word. Given that the initial signal (from the remote reader / interrogator) was weak, the voltage supply may not be sufficient to produce reasonable temperature and pressure readings. Also, if the modulation is started before a sufficient power level occurs, the power consumption of the signal modulation exacerbates the problem of insufficient power. Another problem arises if the relaxation oscillator does not start every cycle in a defined and consistent state.
[0125]
-The transponder 200 having the conventional configuration has a certain degree of modulation (the magnitude of RF signal modulation) determined during the manufacture of the integrated circuit. It is desirable to have a way to optimize the transponder for different combinations of antennas ("coils") and reader / interrogator 106, and for different operating conditions. Also, some transponder applications use an external zener clamp between the terminals of the antenna 210 to increase stability, which Zener "limits reading" of the transponder 200 in a conventional configuration.
[0126]
Transponders 200 of conventional configuration can adjust certain operating characteristics during manufacture (eg, adjust transistor size to adjust current), but changes during manufacture are permanent. However, it is not easy to change for each transponder. Further, if adjustment settings are made in a programmable memory (e.g., an EEPROM), those settings may be accessed continuously during power up rather than through the row decoder (242) and column decoder (240). Doing so creates other problems.
[0127]
Other improvements and solutions will be apparent from the description below.
General description
The improved RFIQ ™ transponder 400 (comparable to 200, 102) is a low frequency “passive” (powered by RF signal) transponder or “active” (battery powered) measurement device As a custom CMOS, low voltage integrated circuit ("IC", or "chip") that can measure temperature and pressure. The IC includes (a) whether the component is active or passive, (b) adjusts the temperature and pressure resolution, and (c) the degree of modulation and the clamping strength of the coil (when in passive mode). Perform programmable trimming to determine,
[0128]
In passive mode, the IC generates power from a reader / interrogator RF signal that is coupled to an external LC circuit that is coupled to the transponder's antenna input. The transponder uses the received signal to generate power and an on-chip clock. The transponder modulates the impedance of the antenna, which is known as "backscattered modulation", thereby sending its memory content back to the reader. The reader demodulates the returned data to obtain the sensor identification ("ID") and sensor data and the calibration constants needed to interpret the data.
[0129]
The transponder sends a 196-bit serial phase shift keyed ("PSK") data stream as 16 12-bit words. The first 12 bits are a programmable sync word, and each sync bit is 1.5 bits wide. Next, 144 bits of the EEPROM having the normal bit width are transmitted. The 144 bits contain the transponder's unique ID code, temperature and pressure data calibration constants, and a CRC for error checking. Thereafter, the transponder sends 36 bits of data. The 36 bits are a 12-bit temperature count (NT), A 12-bit pressure count (Np), a 12-bit word, which contains 5 unused bits as 1, 1 bit indicating the state of the MTMS for the temperature sensor, and even parity. 6 bits. One parity bit is Np data and N is one.TFor every 4 bits of data.
[0130]
In the active mode, the transponder must be controlled by external hardware. The control hardware powers the IC and provides a clock signal via a CLK pad or VB pad. The clock must be provided at the exact clock rate so that temperature and pressure are collected during a fixed period, and therefore, to achieve the highest resolution of temperature and pressure, the hardware must Clocking time can be optimized. The IC can operate down to voltages as low as 2.8V in active mode.
[0131]
As a passive tag or an active tag (transponder), the IC can be tested after assembly by supplying power and communicating with the chip via a 4-pin interface. This interface allows the user to access the EEPROM of the chip and to test the functionality of the chip. The EEPROM data can be read, cleared, or programmed, and the oscillator is tested by reading the frequency directly. Chip sensor oscillators can also be tested, providing a second method of reading temperature and pressure in active mode.
Overview of RFIQ ™ Transponder Circuit
FIG. 4A is a diagram comparable to FIG. 2 and is a block diagram of relevant portions of an improved RFIQ ™ transponder 400 (see 102, 200), with subsequent signals, terminals, and functional blocks (see FIG. 4A). Sections) and connections between them. Although the illustrated device is described as a preferred embodiment for measuring pressure and temperature, it is within the scope of the present invention to include employing appropriate sensors to measure other parameters.
[0132]
Transponder 400 is preferably implemented on a single integrated circuit (IC) chip, shown within dashed line 402 (see 202). Several external components are connected to the chip. The other dashed lines in the figure indicate the large functional “blocks” (“compartments”) of the transponder 400 and include the addressable memory block 438 (see 238) and the sensor interface 406 (see 206).
[0133]
Components external to the IC chip 402 include an antenna (coil) 412, a capacitor 414 connected between terminals of the coil 412 to form an LC resonance tank circuit, an external precision resistor (Rext) 416, an external pressure It includes a sensing capacitor (Cp) 418 (see 218) and an external maximum temperature measurement switch (MTMS) 420 (see 220). The use of the capacitor 414 and switch 420 is optional. Each external component has appropriately labeled connection pads as shown in FIG. 4A: VA and VB for antenna device 410, Rext of precision resistor 416, high side of pressure sensing capacitor 418. And the MTMS for the high side of the maximum temperature measurement switch 420. The grounding of the analog external components Rext, Cp, and MTMS should be through an analog grounding AGND pad. Another ground pad (GND) is for grounding the external digital connection. The remaining connection pads are for use in the active or test operation mode of the transponder 400, as described above.
[0134]
Antenna 412 can be in the form of a coil antenna, loop antenna, dipole antenna, or the like. Antennas are mainly used when the transponder is in passive mode. Alternatively, when the transponder 400 is in the active mode, the antenna device 410 may not be present and the signal output by the transponder 400 can be made via a direct connection to the DATA pad. In the following main part, a transponder having a coil antenna and used in a passive mode will be described.
[0135]
The transponder IC 402 processes an RF signal, such as an unmodulated carrier signal with a frequency of Fi (eg, 125 KHz) received by the antenna 412, and is used to power the transponder 400 operating in a passive mode. To the extent possible, it includes an interface circuit 422 (see 222) that rectifies the received RF signal. Signal processing is performed on the incoming signal in a form suitable for use to generate timing / clock pulses for transponder 400, and modulates the carrier signal for transmission at antenna unit 410. Including adding.
[0136]
The rectified carrier signal is limited to a maximum of about 13.0 volts to prevent breakdown of the IC 402 substrate. The limited rectified signal has a voltage Vpp in the range of 0 to 13 volts that can be read on the VPP pad. Thereafter, the voltage Vpp is shunted up to 6.5 volts. The regulated voltage is named the power supply voltage (or "input voltage") Vxx that can be read on the VXX pad. The Vxx voltage level is adjusted to prevent it from becoming high enough to damage the CMOS in IC 402.
[0137]
The voltage Vxx is controlled by a power supply on reset (POR) circuit 482 (which is new to this model of transponder) and a regulation and bandgap reference circuit 423 (222) for supplying various voltages to the IC chip 402. See).
[0138]
The power supply on-reset circuit 482 may be used to initiate the recording of the sensor readings by the transponder 400 or to provide data until sufficient power is provided by the received carrier signal to allow the transponder 400 to function properly. Is provided to send. POR circuit 482 evaluates the voltage Vxx level and outputs a reset signal that is not output until voltage Vxx is deemed sufficient. If desired, a reset signal can be applied from outside of chip 402 via a RES connection pad, such as for testing.
[0139]
In passive mode, as long as power supply voltage Vxx is sufficient (determined by POR circuit 482, but at least 4 volts), regulation and bandgap reference circuit 423 adjusts voltage Vxx to provide an operating range of 2.8V (stable). (The lowest voltage of the relaxation oscillator 452) provides a regulated analog power supply voltage Vcc of about 3.5 volts, which is about 3.5 volts. The digital power supply voltage Vdd is regulated by a source follower connected to the voltage Vcc and can supply current independently of the voltage Vcc (comparable to the earlier method shown in FIG. 3B described above). Voltage Vdd is typically one threshold below Vcc, about 2.5 volts, and ranges from 1.2V (the lowest voltage for stable logic and memory operation) to about 3.5V. , And are supplied to the digital logic and EEPROM 436 (memory) array 436 during reading. During transponder programming, voltages Vcc and Vdd are not affected by the power supplied to pad VPP. Voltages Vcc and Vdd can be read externally through pads (VCC and VDD) named correspondingly. Also, in the active (battery powered) mode, external power is supplied to pads VCC and VDD, eliminating the need for a regulator. Finally, for circuits requiring a stable reference voltage, the regulation and bandgap reference circuit 423 provides a temperature independent bandgap voltage Vbg. The voltage Vbg is independent of the voltage Vxx as long as the chip power supply voltage Vxx is above the minimum operating level. The conditioning and bandgap reference circuit 423 outputs a temperature-independent voltage Vbg of about 1.20 volts over a transponder operating range of, for example, -40 to 150 ° C. The bandgap voltage Vbg is used as a reference voltage by Vxx, Vcc and Vdd adjusters 423, relaxation oscillator 452 and power supply on / reset circuit 482.
[0140]
The interface and rectifier circuit 422 determines the received RF signal, the input frequency (Fi) it receives, preferably at a timing that generates a clock signal in a known manner to control the timing of other circuits in the IC chip 402 and The clock generator circuit 424 (see 224 and 226). The generated clock signal is a square wave having a duty cycle of 50% and preferably a frequency of Fi, independent of any modulation applied to the antenna device 410 by the transponder 400 for transponder PSK transmission. . Timing and clock generator circuit 424 also divides the system clock to generate timing for addressing data in addressable memory 438 and for modulation. For example, the system clock frequency Fi is reduced by half to determine the frequency of the PSK-modulated return carrier signal. Another division of the frequency Fi is used to determine the baud rate for data transmission. In the active or test mode of operation, the timing and clock generator circuits may not be used, or may be used as buffers for direct input of a clock signal via the CLK pad or VB antenna pad.
[0141]
Various clock signals from timing and clock generator circuit 424 control column decoder 440 (see 240), column-to-data converter 441, and row decoder to control access to data stored in addressable memory 438. & NT, Np control circuit 442 (see 242). The clock signal is supplied to the row decoder & N to control the timing of the relaxation oscillator 452 and the data acquisition circuit 454.T, Np control circuit 442. The data acquisition circuit 454 calculates the temperature indication value (count) NTAnd a pressure indication value (count) Np are stored in the temperature register 432 and the pressure register 434, respectively.
[0142]
The addressable memory block 438 includes an EEPROM array 436 (see 236) and several hardware registers 432, 434, and 435 (see 232 and 234). The EEPROM array 436 is programmed with various stored information described below.
[0143]
The last two rows of the EEPROM (eg, rows 14 and 15) comprise a trimming bit portion 436b that is programmed to store trimming information. The trimming information includes (a) controlling the reduction of the current supplied to the relaxation oscillator 452 (in the base-emitter voltage-current converter 450) to control the resolution of the pressure count and the temperature count, and (b) modulating The modulation depth in circuit 446 is set to optimize signal transmission for a given antenna device 410 and a given transponder application, (c) the mode of operation (active or passive) is set, and (d) the terminals of rectifier circuit 422. Optimize the impedance of the clamp at the intermediate voltage Vpp. Using the trimming line 485, the trimming information stored in the trimming bit section 436b can be transferred to a circuit (for example, 450, 446, 484, 422, 422, 422, 422, 422, 422, 422) at which the information operates at any time during the transponder operation (active or passive) 482) can be read directly. Alternatively, as in certain test and programming modes, controlled by test logic 484, the trimming bit portion 436b is accessed for external reading and writing (programming) along with the rest of the EEPROM 436 memory via the DATA connection pad. And can communicate with the transponder data line 444 via the column-data converter 441.
[0144]
As described above for the conventional model transponder 200, each of the temperature register 432 and the pressure register 434 is a count of a down counter (eg, a 12 bit clock) clocked by a sensor data signal of frequency Fosc ′ coming from the sensor interface unit 406. ) Hold.
[0145]
The parity and memory MTMS section 435 is also new to this transponder 400 model. It is implemented, for example, as a hardware register that stores 12-bit data. Five of the twelve bits are set permanently (value = 1) and then one bit that is set / cleared according to the open / closed (I / O) state of the MTMS switch (closed when exposed to too high temperature) Finally, there are six bits that temporarily store the parity of the pressure and temperature counts. Three of those parity bits are for the count Np of the pressure register 434, and the next three parity bits are for the temperature register 432 count Np.TIs for The parity bit indicates the Np down counter and N during acquisition of sensor data.TIt is constantly updated according to the changing count in the down counter (pressure register 434 and temperature register 432, respectively). Each parity bit represents the parity of four sequential bits ("nibbles") in the corresponding pressure register 434 or temperature register 432. The most significant bit represents the most significant nibble of the count, the middle parity bit represents the middle nibble of the count, and the least significant parity bit represents the least significant nibble of the count.
[0146]
The sensor interface unit 406 (see 206) of the transponder chip 402 includes a base-emitter voltage-current converter 450 (see) having a connection pad “Rext”, a relaxation oscillator 452 (see 252) having a connection pad “CP”, and , "MTMS" connection pad and a line 459 connecting it to the parity, the MTMS bit in the MTMS register 435 (comparable to 236 for the previous location of the MTMS bit).
[0147]
Base-emitter voltage-to-current converter 450 functions in a manner similar to converter 250 described in detail above with reference to portions 306-310 of FIG. To improve performance, the circuitry of portions 306, 308, 310 in the new base-emitter voltage-to-current converter 450 replaces a one-stage current mirror (eg, for transistors P1, P2, P4, P6). Utilizing cascode, the external resistor Rext 416 can have a different suitable resistance value, such as 500 kOhm. The reason cascodes are desirable is that they have a high power rejection ratio (PSSR). Also, in a feature described in more detail below with reference to FIG. 5, the final stage 510 (see 310) of the base-emitter voltage-to-current converter 450 is connected differently to the portion 308 to provide a trimming bit register section. Working in concert with the programmed setting at 436b, the reduced proportional-temperature current I (T) B on lines 451 and 455 (equivalent to the current I (T) / N on lines 251 and 311) is obtained. It is supplied to the relaxation oscillator 452 (see 252). In contrast to previous configurations, current scaling circuit 510 (see 310) can scale current I (T) by a variable scaling factor "B" determined by a programmed setting in trimming bit register section 436b. .
[0148]
The relaxation oscillator 452 includes a row decoder & NT, Np under the control of the Np control circuit 442, operates in conjunction with the external capacitive pressure sensor Cp418 to operate the row decoder & NT, Depending on the timing window determined by the Np control circuit 442, produces a signal at frequency Fosc 'indicative of the ambient temperature or pressure on line 453 (see 253). The data acquisition circuit 454 includes a row decoder & NT, Under the timing control of the Np control circuit 442, the Fosc ′ signal to the appropriate hardware register (depending on the timing window), ie, to the temperature register 432 via line 455, and to the pressure register 434 via line 457. Send to
[0149]
The current scaling circuit 510 (part of the base-emitter voltage-to-current converter 450) and the relaxation oscillator 452 have several improvements over the relaxation oscillator 252, and the state of the MTMS 420 is different from that of the previous implementation (EEPROM 236). Are sent to a different memory location (register 435). Otherwise, the sensor interface unit 406 operates essentially the same as the corresponding part 206 in the previous model 3070C transponder 200.
[0150]
As described above with reference to the previous model 200, the term "ambient" refers to the parameter measured near the transponder 400, and more specifically, near each sensor associated with the transponder 400. Point. Also, the term "pressure", referred to herein as "pressure reading", "pressure count", "pressure response", "pressure register", etc., is measured by this transponder technique which actually produces a hybrid pressure-temperature reading. The term "pressure" refers to the overall pressure. When the hybrid indication is processed to remove the temperature component of the hybrid indication, the indication is referred to as a "pressure only" indication.
[0151]
Along with column decoder 440 and row decoder 442, column-to-data converter 441 communicates selected ones of the measured tire operating characteristics in the data stream to an external reader / interrogator (e.g., via antenna device 410). , 106), the order in which the signal (ie, data) is output via line 444 (equivalent to 244) to modulation circuit 446 (equivalent to 246), which is sent via interface and rectifier circuit 422 (see 222). Control. Line 444 also sends the data stream to test logic 484, where it can be directly accessed via the DATA connection pad.
[0152]
Modulation circuit 446 converts the data stream from line 444 into a sequence (modulation) of impedance changes representing it. Those changes are applied to the antenna device 410 via the interface and the rectifier circuit 422. A novel feature of the transponder 400 of the present invention is that the modulation index (modulation magnitude) is adjusted to match the operating power level, the individual transponder 400 in use, the antenna device 410, and the reader / interrogator 106. This is the ability to select a modulation index (via the trimming bit section 436b) that is optimized for.
[0153]
In passive mode operation, an RF carrier signal from an external source (eg, reader / interrogator 106) is received by antenna 412. This RF signal is rectified and used to power the RF transponder 400 and to provide a timing / clock signal. The modulation information added by the modulation circuit 446 is used to change the characteristics (for example, impedance, resonance frequency, etc.) of the LC tank circuit of the antenna device 410. These changes are detected and decoded by the external reader / interrogator 106 as a change in load, and the data is sent back from the RF transponder 400 to the external reader / interrogator 106. Because the passive power of transponder 400 is derived from the received RF signal, and the modulation of that signal is performed from some of that power, POR circuit 482 holds the reset signal during the supply of passive power and the transponder Does not clear its reset signal until it is sufficiently high to ensure stable operation of the transponder 400 during modulation (thus allowing modulation).
[0154]
Test logic 484 may be used to sort the wafer, assemble-level programming of the first board, programming in the pre-calibration stage, calibrating and trimming the transponder, and post-calibration to adjust trimming bits 436b for offset errors caused by encapsulation. Enables tests that can be performed at any stage of transponder manufacture and use, including programming.
[0155]
A more detailed description of the important parts of the RFIQ ™ transponder 400 of the present invention is provided in the following sections.
Memory allocation and data flow
Addressable memory block 438 is configured to provide an improved data flow over previous model 3070C transponder 200. Column decoder 440 and column-to-data converter 441 operate together to control the flow of data between addressable memory blocks 438. When operating in an active or passive mode (ie, not in a test or programming mode), the circuits 440, 441, 442 move the memory locations from the first address to the last (most significant in each data "word"). Accessing one at a time (words are ordered from least numbered word to most significant word, from bit to least significant) produces a serial data stream for transmission. From the following description, it will be seen that the rows to be included in the data stream are selected according to the mode of operation (ie, passive / active, or various test and programming modes). Row decoder & NT, Np control circuit 442 stores a temperature-related count in temperature register 432 during one portion of the data transmission (e.g., during transmission of word / rows 2 through 6), and other data transmissions. To control the sensor interface circuit 406 (via line 487) to accumulate pressure related counts in the pressure register 434 (eg, during transmission of words / lines 9-13). . Their accumulation should both end by the time for the count to be read from registers 432 and 434 when their count portion of the data stream is valid (eg, words 14 and 15).
[0156]
FIG. 4B (comparable to FIG. 3C) is a "map" of addressable memory blocks, showing its physical organization (by "rows"), and showing the organization of data streams in active or passive mode. (By "word"). In the preferred embodiment of the transponder 400 described individually, each word or row is 12 bits (or column) long, with 16 words in the data, for a total of 192 bits (12 times 16). . The depiction of memory block 438 in FIG. 4A helps to understand the physical organization. It should be noted that rows 1 to 13 of the physical memory (EEPROM 436) correspond to words 1 to 13 of the data stream, except that rows 14 and 15 of the physical memory (EEPROM 436) are not part of the data stream. . Instead, the temperature register 432 is read as word 14 and the pressure register 434 is read as word 15 of the data stream. The last word of the data stream, word 16, is read from the hardware registers of physical memory (parity, MTMS register section 435).
[0157]
The EEPROM 436 portion of the example addressable memory block 438 has 180 cells arranged in an array of 12 columns × 15 rows. Each cell comprises at least one n-channel select gate and one corresponding EEPROM transistor. The first thirteen rows (sync, ID, calibration, CRC 436a) are readable in the normal read mode, whether the transponder 400 is programmed to be active or passive. The EEPROM memory locations in those first 13 rows are selected in the usual manner, one n-channel transistor row select gate for each EEPROM transistor. The EEPROM cells in row 14 and 15 (trimming bit section 436b) hold data for 12 bits of trimming information and are configured differently to facilitate its special role in the transponder. The EEPROM cell in each trimming bit section 436b has two gates instead of one, and is READ as in the test mode with transponder operation. If the TRIM select gate is not enabled, a special READ is used so that the trimming bit 436b cannot be added to the data stream. Add TRIM select gate in series with row select gate. Another feature of the special trimming bit register 436b is that each trimming bit 436b has an added detection line to signal the EEPROM bit setting (programmed trimming information) to the appropriate portion of the transponder 400 circuit as needed. It is also a thing.
[0158]
Thus, the logic associated with EEPROM 436 reads trim bit 436b sequentially as "READ" bits 14 and 15 in the data stream instead of temperature and pressure counts. The TRIM test mode allows external reading. In the "read" test mode, as in normal operation, the trim bits are not seen in the data stream, but are still accessed by the sense amplifier to signal the programmed trim settings to the appropriate portions of transponder 400. In the "write" test mode, all EEPROM 436 cells (including trim bits 436b) are addressed and written simultaneously. This will actually write a "1" to all EEPROM cells, giving them a high threshold. In the "erase" test mode, individual cells can be erased (given a low negative threshold and programmed to "0"). As the clock CLK signal searches through the EEPROM cell array, the voltage at the VPP pad is raised to the programming temperature, allowing erasure by raising the DATA pad, thereby allowing the erased column to be addressed at the intersection of the addressed column and the addressed row. The cell is erased.
[0159]
Referring to FIG. 4B, the map shows an example of an organization in which the first twelve data locations (bits 000..011 in row 1) are reserved for synchronous ("sync") data. The next 48 data locations (bits 012.0.59 in rows 2 through 5) are for general information identifying individual transponders 400. As mentioned above, each transponder unit is properly calibrated before being mounted on the tire. The next 24 data locations (bits 060..083 in rows 6-7) hold the temperature calibration data (eg, decision point and slope). The next 24 data locations (bits 08.107 in rows 8-9) hold pressure calibration data (eg, decision point and slope). The next 36 data locations (bits 108... 143 in rows 10-12) hold additional identification information for IC chip 402. The next twelve data locations (in row 13) are the four bits of identification information for the chip calibration (bits 144 ... 147) and the eight bit value for the data validation algorithm such as CRC (cyclic redundancy check). (Bits 148..155). The next two words in the data stream (word 14..15, bits 156.179) are read from temperature register 432 and pressure register 434, respectively. The last word (word 16, bits 180 ... 191) of this data stream is read from the parity, MTMS register 435. The register contains five "open" bits (bits 180..184) and the logic level (state) of the MTMS switch 420. One subsequent bit (bit 185) and finally six bits (bits 186 ... 191), including three bits, each bit for the parity of the pressure count and the parity of the subsequent temperature count. In. The five open bits are not used and are fixed as logic "1" values.
[0160]
Column decoder 440, column-data converter 441, row decoder & NT, Np controller 442 circuit coordinates addressing and access to addressable memory block 438.
[0161]
The column decoder 440 is constituted by a 4-bit synchronization counter for addressing 12 1 decoders. The output from column decoder 440 addresses 12 columns of the memory array during programming and reading. To address a column, an address n-channel device routes a low power current source to charge the addressed column. If a bit is to be written, the column is pulled high, but if it is to be erased, the column is pulled low. The output of the current source is buffered and drives a transponder data line 444 that leads through a column to a data converter 441, a modulation circuit 446, and a test logic circuit 484. The columns are sequentially addressed from column 1 to column 12 at the rate of the timing logic clock signal supplied by the timing and clock generator 424 or externally via the CLK pad. After addressing column 12, column decoder 440 provides row decoder & NT, Np controller 442 to clock it to the next row and cycle itself back to column 1. After a reset signal (turned on and then turned off) is received from the power supply on reset circuit 482 (or via the RES pad), the column decoder 440 and the row decoder & NT, Np controllers 442 reset their addressing order and start at row 1, column 1, ie, the first bit or cell of addressable memory block 438. Column decoder 440 serially addresses EEPROM array 436 during any of the read operation modes or during erase. In the write test mode, it has no effect since the entire EEPROM memory is simultaneously addressed for a write operation.
[0162]
Row decoder & NT, Np controller 442 is a 4-bit synchronization counter that addresses 16 one decoders. The decoder addresses thirteen rows of data memory 436a from rows one through thirteen. Write test mode, erase test mode and READ#In TRIM test mode, it also addresses rows 14 and 15 of EEPROM memory 436b for trimming bits. During a normal read (active or passive mode), the decoder addresses the temperature hardware register 432 at row address 14 and the pressure hardware register 434 at row address 15. Regardless of the mode of operation, the row 16 address is sent to a special data row: parity, MTMS hardware register 435. In the read test mode and the erase test mode, each row is addressed sequentially on the falling edge of the last bit of the column decoder 440. In the passive mode or the active mode, the reset signal is applied to the row decoder & NT, Np controller 442 is set to row 1. It is a synchronization word. In write mode, all rows are addressed simultaneously. It raises all select lines and control gates to voltage Vpp. As mentioned above, row decoder & NT, Np control circuit 442 stores a count related to temperature in temperature register 432 during a specified time (data collection window) of temperature register 432 and pressure register 434, and stores a count related to pressure in pressure register 432. 434 is to control the sensor interface circuit 406 so as to accumulate it.
Programmable current scaling
As described above for the conventional model 3070C transponder 200, the scaled current I (T) / N} input to the relaxation oscillators 312, 252 via the lines 311, 251 is stored in the current scaling circuit 310 of FIG. Must be scaled by a fixed amount determined by the ratio of the physical areas of the current mirror transistors, such as P5, P6. The physical area is set during manufacture.
[0163]
Part of FIG. 5 shows an example of an improved (programmable) current scaling circuit 510 that is part of the base-emitter voltage-to-current converter 450 of the RFIQ ™ transponder 400 of the present invention. Current scaling circuit 510 (see 310) produces a scaled current I (T) B on line 511 (see 311). Here, the scaling factor "B" can be programmed into the transponder 400 via some of the trimming bits 436b at any time after the transponder 400 is manufactured. Current scaling is now a temperature measurement (eg, temperature scaling factor BT= 1 or 1.5) and a pressure measurement (eg, pressure scaling factor BP= 0.5 to 1 to 8.5), and the current supplied to the relaxation oscillator 512 (see 312) is proportional to 1.5 times the proportional-ambient temperature (PTAT) current I (T). To 8.5 can be programmably increased. By programming the current mirror in the current scaling circuit 510, the counts per degree or counts per PSI can be programmably maximized, thereby allowing temperature and pressure counts (NTAnd NP) To increase the degree of decomposition and stability. As mentioned above, it is particularly desirable to optimize the pressure count, and thus a wide range of pressure scaling factors BPAre made available for programming (trimming). Narrower temperature scaling factor BTIs generally suitable for compensating for process movement at the die level and changes in external precision resistance (Rext) 416. In a similar manner, the temperature scaling factor BTAnd pressure scaling factor BPIt is within the scope of the present invention to provide other suitable scaling factor values for
[0164]
Referring to FIG. 5, programmable current scaling circuit 510 is surrounded by a dashed line. Transistor P6 is a current mirror configuration, and transistors P1, P2, P4 in the temperature sensing and pressure mirror circuit (comparable to 306, 308 in FIG. 3, but only P4 and P5 are shown in FIG. 5) , So that their current mirror gates are connected to a line 505 (comparable to 305) that supplies a reference voltage Pbias to the gate of transistor P6. Due to the current mirror connection, the current flowing through transistors P4 and P5 mirrors the PTAT current I (T) flowing through external resistors Rext 416, 316. The voltage source of the programmable current scaling circuit 510 is the voltage Vcc provided on line 503 (comparable to 303). As described above, the voltage Vcc is adjusted and is almost independent of the temperature. The use of the analog power supply voltage Vcc is an improvement over the conventional use of the digital power supply voltage Vdd (circuit 310). The reason is that the voltage Vcc is "cleaner" and does not include the switching noise included in the digital voltage. For simplicity, transistors P4, P6, P6.05, P6.1, P6.2, P6.4 are shown as a single transistor. It is within the scope of the present invention to implement those transistors as cascodes, as described above for the transistors P1, P2, P4, etc. in circuits 306, 308 of FIG. Such cascode transistors used in a current mirror configuration have separate bias lines (eg, Pbias divided into Pbias' and Pbias ") connecting the gates of the transistors in each stage of the cascode current mirror.
[0165]
As in current scaling circuit 310, transistors P4 and P6 are connected in a current mirror configuration. However, instead of the transistors P5 and P6 of the circuit 310 having a fixed ratio of physical area to scale the current to be mirrored, the transistor P6 in the programmable circuit of the present invention is such that P6 is mirrored. It has a programmable ratio of physical area compared to transistor P4 (and transistors P1, P2 of circuits 306, 308). The physical area of transistor P6 is added in parallel with transistor P6, with the trimming bit 436b and the row decoder & NT, NPUnder the control of a control signal from the control circuit 442, use is switched by a switch. Each of the transistors P4, P6, P6.05, P6.1, P6.2, and P6.4 shown in FIG. 5 can be determined by the size of the transistors here, or combined together in parallel to form " It should be understood that there is a suitable area that can be the result of adding together the physical areas of multiple transistors, described as "single transistors." For example, a transistor P5 having a physical area of 1 (in arbitrary “units”) may be replaced by a single transistor having a physical area of 1.0 units, or a transistor 2 having a physical area of 0.5 units each. It can be manufactured as individual transistors. In the embodiment shown in FIG. 5, each of the transistors P4, P6, P6.05, P6.1, P6.2, and P6.4 is a relative physical, marked as "A =" n. Has an area. Here, n is a physical area in an arbitrary unit. The physical area of each transistor P4, P6, P6.1 is 1.0 unit, and the transistors P6.05, P6.2, and P6.4 are 0.5, 2.0, and 4.0, respectively. With area. It should be understood that the mirrored transistors P1, P2, P4 of FIG. 3 also have the same physical area as P6, so their physical area is 1.0 unit. By switching between various combinations of their added transistors P6.05, P6.1, P6.2, and P6.4 ("P6.n"), sets from 0.0 to 7.5 units The combined physical area can be added to the area of transistor P6 (1.0 unit) in 0.5 unit increments. As noted above, the ratio of the physical area of the mirrored transistor (eg, the ratio (P6 + P6.n) / 4) is determined by the mirrored current I (T) B emerging from the programmable current scaling circuit 510 on line 511. From the PTAT current I (T), increase by a factor B equal to the ratio of the total physical area.
[0166]
Each added transistor P6. n is one or more control solid state switches (scaling trim switches S5, S6, S7, S8, and S8), shown here as boxes with control inputs indicated by lines on one side. S9, a temperature scaling switch ST1, and a pressure scaling switch SP1). Two types of semiconductor switches, inverted and standard (non-inverted), are shown. Switches ST1 and SP1 are, for example, standard semiconductor switches that can be realized as N-channel transistors, and whose control signals are applied to their gates. Such a switch is conductive (switch "on" or "closed") when the control signal is high (voltage above ground, such as a logic "1", "true", or "set") and low (switch "on"). It does not conduct when ground, logic "0", "false" or "clear". Inverting switches S5, S6, S7, S8, and S9 are programmed "on" (closed) if the corresponding trim bits 5-9 are programmed as "cleared". Note that in the embodiment of the transponder 400 described herein, trim bits 5-9 are the only "low-true" logic bits in the trim bit 436b register. The advantage of using such P-channel transistor switches is that they function faster than N-channel transistor switches as the voltage level increases during transponder power up. Trim bit is the bit address in EEPROM trim bit register 437b that is communicated over line 485. In this example, trim bit 5 controls temperature count precision trimming, trim bit 6 controls pressure count precision trimming, and trim bits 7, 8, 9 control pressure count total trimming. The setting of scaling / trim bit “n” is “TRIMBIT” N (ie, scaling trim bit signal TRIMBIT for scaling trim bits 5 through 9) 5. . TRIMBIT 9). Non-inverting scaling switches ST1 and SP1 are row decoder & NT, NPSignal CAPTURE coming on line 847 from controller 442 NT and CAPTURE On / off control is performed by the NP. The scaling switches ST1 and SP1 apply the various scaled currents I (T) B during the temperature measurement period or the pressure measurement period (respectively the time window WTAnd WP) Is enabled by the relaxation oscillators 452 and 512. Therefore, the value of the current scaling coefficient B is determined by the temperature measurement window WTMedium (signal CAPTURE NT is on) is BT(1 or 1.5) and the pressure measurement window WPMedium (signal CAPTURE NP is on) is BP(1 to 8.5 in 0.5 increments). FIG. 5 shows a series arrangement of switches (eg, S5 and ST1), but using a digital logic to avoid the cumulative switching losses of the I (T) B signal and combining the control signals to form a single switch. Controlling is within the scope of the present invention. For example, an AND gate, whose output controls switch ST1, causes a CAPTURE TRIMBIT with NT signal inverted By combining the five signals, the switch S5 can be eliminated.
Relaxation oscillator
As described above for the previous model 3070C of the transponder 200, the relaxation oscillators 312, 252 provide a capacitance C for temperature reading.FX1And CFX2Or capacity C for pressure readingFX1And (CFX2Plus CP) And a frequency Fosc 'determined by the alternate charging of the two capacitors. The rate of charging these capacitances is determined by the magnitude of the capacitance and the magnitude of the scaled current I (T) / N used to charge them. The capacity discharge rate is not a factor. The reason for this is that each capacitor discharges faster than the other because the other capacitor discharges while charging and the resistance of the discharge path is low. The set-reset portion of the relaxation oscillator 312 flip-flop triggered only when one of the capacitors has charged to a level just above the bandgap voltage Vdg.
[0167]
Part of FIG. 5 shows an example of an improved relaxation oscillator circuit that substantially comprises the relaxation oscillator 452 of the RFIQ ™ transponder 400 of the present invention.
[0168]
Circuit 512 is still a relaxation oscillator and is driven by the scaled current (measured current) provided on line 511 from the now programmable current scaling circuit 510 (see 310). The set-reset unit 514 (see 314a and 314b) of the relaxation oscillator 512, having phase paths φ1 and φ2 (phase 1 path 514a and phase 2 path 514b, respectively), functions in the same general manner, but with the comparator 516 ( 516a, 516b, 316a, 316b) are slightly modified in a known manner to allow for input changes. A major circuit change is for the front end, switching device, which is divided into two measurement switching circuits 515a and 515b, respectively, for temperature measurement and pressure measurement. Capacitor CFX2Has been lost, the capacitor C is now used during the temperature measurement period.FX(CFX1) Is used and during the pressure measurement period the capacitor CP(See 418, 218) only. During one measurement period, the frequency output signal frequency Fosc 'is nowFXOr CPIs determined by alternate charging and discharging of Those capacitors are row decoder & NT, NPSelected by controller 442. Since comparators 516a and 516b have reference voltages of, for example, Vbg and Vbg / 2 (bandgap voltage and half the bandgap voltage), the selected capacitor CFXOr CPUses the (scaled) measured current I (T) B to be charged to just above the voltage level Vbg. It triggers the set-reset circuit 514 to flip it from its first state (eg, PHASE1 = true) to a second state (eg, PHASE2 = true). It turns off the charging current I (T) B, and instead reduces the scaled current I (T) B by a mirrored current equal to I (T) B, to the selected capacitor C (T) B.FXOr CPFrom the voltage level Vbg to the voltage level Vbg / 2 or less. It triggers the set-reset circuit 514 to flip-flop again to its first state, and to select the selected capacitor CFXOr CPRestart charging. After the first charge from ground (zero volts) to Vbg / 2, the described operation is performed with the scaled current I (T) B and the selected capacitor CFX(For temperature measurement) or CPA uniform 50% duty cycle waveform with a frequency determined by the magnitude (for pressure measurement). Another novel feature of the relaxation oscillator 512, 452 of the present invention is that the capacitor C is not used for measurement use.FXOr CPTo supply a small bias current Ibias, which is mirrored to be gradually discharged to ground, and to ground those capacitors when not in use, the set-reset circuit 514 It is also used to set the circuit to a defined state before each time used for measurement.
[0169]
An example of the relaxation oscillator circuit 512 has two analog inputs, a (programmably) scaled PTAT current I (T) B provided on line 511 and a bias current Ibias provided on line 513. Bias current Ibias is a small fraction (eg, I (T) / 10) of PTAT current I (T) obtained in a known manner, such as the current scaling procedure described above.
[0170]
An example of the relaxation oscillator circuit 512 is a row decoder & NT, NPTwo digital (logic or control) inputs provided on line 487 from controller 442, ie, CAPTURE to determine respectively whether temperature or pressure is being measured. NT signal and CAPTURE NP signal. The control signal input is indicated in several places by its corresponding number. For example, CFX TO The OSC signal is indicated by the numeral 1 in the circle, from which it exits the logic circuit 531 and from there is input to the switch ST2. The outputs of the phase paths φ1 and φ2 are used as control signals PHASE1 and PHASE2, respectively, and are inverted and used as control signals. That is, the phase path φ1 signal is inverted by the inverter 520a and
[0171]
[Outside 1]
Figure 2004500760
[0172]
And the phase path φ2 signal is inverted by the inverter 520b and
[0173]
[Outside 2]
Figure 2004500760
[0174]
Becomes Here, the line shown above the name indicates that the logic is inverted, that is, "NOT".
[0175]
[Outside 3]
Figure 2004500760
[0176]
Is "not phase 1" (ie, if the PHASE1 signal is high, ie, at logic level 1,
[0177]
[Outside 4]
Figure 2004500760
[0178]
The signal is low, meaning logic level 0). PHASE1, PHASE2,
[0179]
[Outside 5]
Figure 2004500760
[0180]
,
[0181]
[Outside 6]
Figure 2004500760
[0182]
The signal is CAPTURE as an input to logic circuit 531. NT signal and CAPTURE Combined with the NP signal. The logic circuit has six control signals-two capacitor selection signals, ie, CFX TO OSC (# 1) and CP TO OSC (# 2) and four measurement control signals PHASE1 NT (# 3), PHASE2 NT (# 4), PHASE1 NP (# 5) and PHASE2 NP (# 6) is output.
[0183]
The details of the digital signal included in the logic 531 are described in the logic circuit example 531a. . 531f (for signals (# 1)... (# 6) respectively). Each of the logic circuits 531a. . 531f utilizes a NAND gate and one inverter to generate its control signal to be output from logic circuit 531. Signal (# 1) that behaves as described here. . It is within the scope of the present invention to include another form of logic circuit 531 that generates (# 6). The output signals (# 1) and (# 2) have one parameter (NTOr NP) Is measured, and other parameters (NPOr NT) Is generally understood to mean that it is not time to measure. Note that these signals are also true (logic 1) whenever the opposite parameter is not measured, regardless of the setting of the "capture ..." signal. Thus, the signal CFX TO OSC (# 1) is CAPTURE True whenever NP is false, the signal CP TO OSC (# 2) is CAPTURE True whenever NT is false. Since the (# 1) and (# 2) signals control switches ST2 and SP2, respectively, this logic states that when the reverse capacitor CP / CFX is not connected to the set-reset circuit 514, the switch ST2 / SP2 has a capacitor. CFX / CP is always connected to the set-reset circuit 514. This helps to keep the set-reset circuit 514 in a defined state.
[0184]
Each output signal (# 3) to (# 6), when true, indicates which phase (phase 1 or phase 2) the oscillator is in and which capacitor (C for temperature)FXOr C for pressureP), Generally indicates the state of the signal, which, if any, primarily determines whether it is in use for measurement. As can be seen in the example of NAND gate logic shown in FIG. 5A, each output signal (# 3) through (# 6) has a phase and phase signal when the opposite measurement is selected or even if no measurement is selected. Is always true again, regardless. For example, the NAND gate in the logic circuit 531c has the signal PHASE1 NT (# 3) is output. Assuming that the temperature is being measured, PHASE1 NT is phase 1 (CFXHigh during charging, phase 2 (CFXLow during discharge). However, if the temperature is not measured (ie, CAPTURE NT is low, not true), PHASE1 even if temperature and pressure are not measured, regardless of the phase of the oscillator. NT is high. Similar logic is indicated by the circled numbers # 3, # 4, # 5, and # 6 and four control signals (# 3) shown in FIG. 5A as logic circuits 531c through 531f. Or (# 6).
[0185]
At line 521 (same as 453, see 321 and 253)
[0186]
[Outside 7]
Figure 2004500760
[0187]
The signal is the (inverted) relaxation oscillator output signal Fosc 'that is used by the transponder 400 to accumulate the temperature and pressure counts in the corresponding registers 432 and 434, respectively. It can be seen that the relaxation oscillator output signal Fosc 'is buffered and the level can be shifted to a digital logic signal level. The relaxation oscillator 512 puts the transponder 400 in the (active mode) test state, “READ TEMP ”and“ READ ” PRESS ", or can be read directly. These test conditions enable the relaxation oscillator 512 for temperature and pressure, respectively, and send the relaxation oscillator output signal Fosc 'to the DATA pad.
[0188]
The front end of the relaxation oscillator 512 is comprised of two substantially identical measurement switching circuits 515a and 515b. The circuits are temperature measuring capacitors CFXOr pressure measuring capacitor CPAnd a temperature measuring series switch ST2 or a pressure measuring series switch SP2 connecting an appropriate front end switching circuit 515 to a set-reset circuit 514. As described above for switches ST1 and SP1, switches ST2 and SP2 are standard (non-inverting) semiconductor switches such as switches that can be implemented using N-channel transistors or implemented in CMOS. The capacitor in chip 402 is a poly-poly capacitor, which has a very low temperature coefficient and an area (capacitance) that provides high resolution, but has low sensitivity to processing factors such as etching errors and alignment errors. Temperature measurement capacitor CFXIs, for example, a 6pf (+/- 10%) poly-poly capacitor. Pressure measuring capacitor CP418 (see 218) is off-chip and preferably has robust and stable characteristics similar to those described above (e.g., a contact mode with a linear capacity versus absolute pressure response and varying between 4 and 40 pf). Capacitive pressure sensor).
[0189]
The temperature measurement switching circuit 515a includes, for example, P-channel transistors P9, P10, P13, N-channel transistors N9, N10, N13, N14, an inverter 517a, a semiconductor switch ST2 (such as an N-channel CMOS transistor), and a temperature measurement capacitor. CFXIt is composed of The pressure measurement switching circuit 515b includes, for example, P-channel transistors P11, P12, P14, N-channel transistors N11, N12, N15, N16, an inverter 517b, a semiconductor switch SP2, and a pressure measurement capacitor CP(418, connected outside of the transponder chip 402 via the connection pad Cp). The various control inputs described above are connected to the measurement switching circuit 515 as indicated by the circled numeral 1 and the current Ibias is also input as shown.
[0190]
In the following, the temperature measurement switching circuit 515a will be described to illustrate the techniques involved. The pressure measurement switching circuit 515b functions in a suitable parallel fashion.
[0191]
When the transponder 400 places the relaxation oscillator 512 in the temperature measurement mode, the row decoder & NT, NPThe control circuit 442 controls the temperature measurement window WTTime it chooses asTCAPTURE for Set NT high (and CAPTURE NP is set low), thereby closing switch ST2 (and keeping switch SP2 open) via logic circuits 531a and 531b. The set-reset circuit 514 starts operation at phase 1 (ie, the output of φ1, 514 is high and the output of φ2, phase 2, 514b is low). The reason is that when the relaxation oscillator is not used for measurement, the measurement switching circuit 515 is always at a low voltage (as described below), and this low voltage is, as described above, the signal # 1, # 2 Is supplied to the comparators 516a and 516b according to the logic for this. Since signal PHASE1 = true and PHASE2 = false, logic circuit 531 outputs the next signal, identified by the number in the circle, ie, PHASE1. NT (# 3), PHASE1 NP (# 5), PHASE1 NP (# 6) = true, PHASE1 NT (# 4) = false. These signals turn off transistor P13 and turn on P9, thereby causing the scaled current I (T) B to pass through P9 through capacitor CFXCharge. Since the switch ST2 is closed by the signal (# 1), the set-reset circuit 514 detects the rising voltage of the capacitor CFX. At the same time, transistor N14 is kept on, grounding the gate of transistor N9 and charging capacitor CFXKeep it off so that there is no current leakage path. Since transistors P10 and N13 are also kept off, there is no other input to transistor N9 and the state of transistor N10 does not matter.
[0192]
When the set-reset circuit 514 flip-flops to phase 2 (PHASE1 = false, PHASE2 = true), the signal PHASE1 NT (# 3) changes to false and PHASE2 NT (# 4) is true (but PHASE1 NP (# 5) and PHASE2 NP (# 6) remains "true"). These signals send the scaled current I (T) B to transistor N10 by turning on transistor P13 and turning off P9. Since transistor N13 is turned on and transistor N14 is turned off, transistor pair N10 / N9 now forms a current mirror, so that current flowing through transistor N10 to ground flows through transistor N9 to ground. Capacitor CFXIs mirrored by an equal current discharging. An unintended side effect of connecting the current Ibias through the now turned on control transistor P10 is the sum of the scaled current I (T) B and the bias current Ibias, the current flowing through the transistors N10 / N9, Thereby, the capacitor CFXThe charging rate is slightly higher than the charging rate. Since the bias current Ibias is relatively small, this changes the duty cycle of the relaxation oscillator 512 to slightly deviate from 50% -50%, but does not affect the counting process. (Compare transponder 400 of the previous model, described above, which is intentionally operated with a symmetric duty cycle.) Set-reset circuit 514 because switch ST2 is still closed by signal (# 1). Is the capacitor CFXCan be detected.
[0193]
Temperature measurement window WTIs closed (transponder 400 is no longer in temperature measurement mode), row decoder & NT, NPThe control circuit 442 stops acquiring data in the temperature register 432. In this regard, CAPTURE Since the NT signal is still low, switch ST2 remains closed (signal CFX). TO OSC). CAPTURE The NP signal is set high (and CAPTURE If the NT signal is low), the switch ST2 only opens at other times, i.e. the pressure is measured and the temperature is not measured. CAPTURE When the NT signal is low, the logic circuit 531 outputs the signal PHASE1 NT (# 3) and PHASE2 Make NT (# 4) true. These signals shut off the flow of the scaled current I (T) B through the temperature measurement switching circuit 515a by turning off the transistors P13 and P9. However, since transistor N13 is turned on and transistor N14 is turned off, transistor pair N10 / N9 still forms a current mirror, and bias current Ibias flowing through transistor N10 to ground since bias control transistor P10 is on. Flows to the ground through the transistor N9 and the capacitor CFXIs mirrored by an equal current discharging. Since the (small) bias current Ibias is the only current allowed to flow through the mirror circuits N10 / N9, the capacitor is gradually discharged to ground (0 volts) and CAPTURE By setting the NT control signal high (true), the next temperature measurement window WTIs held there until it is opened. Since the switch ST2 is still closed, the grounded inputs to the comparators 516a and 516b cause the set-reset circuit 514 to stop oscillating in the prescribed state of PHASE1 = high, PHASE2 = low. Temperature count NTOr pressure count NPMeasurement capacitor C to accumulateFXAnd CPBefore each use of the measuring capacitor CFXAnd CPIt is a feature of the present invention to provide a means as disclosed herein that utilizes a small bias current Ibias to reset to a defined state (zero voltage). Another feature of the present invention is to use the means described herein to further place the set-reset circuit 514 in a defined state before each use of the set-reset circuit 514.
[0194]
The above illustrative example illustrates the various portions of the transponder 400 circuit, for example, at the base-emitter voltage to the current converter 450 (current scaling circuit 510), at the relaxation oscillator 452 (512), and at the data acquisition circuit 454 (FIG. 3A), the control signal CAPTURE for various purposes. NT and CAPTURE Use NP. It is within the scope of the invention to change the timing of the control signals to each of those circuits 450, 452, and 454 so that the events occur in the proper order. For example, the circuit 454 enables the time of the relaxation oscillator 512 to operate stably, and the measurement capacitor CFXAnd CPCan be delayed (e.g., a delay of 1 bit width of 256 [mu] sec) so that oscillation occurs between the voltages Vbg / 2 and Vbg.
[0195]
As noted above for typical passive mode operation of transponder 400, row decoder & NT, NPControl circuit 442 provides a control signal to sensor interface circuit 406 (via line 487) to control the temperature during one portion of the data transmission (eg, while transmitting words / rows 2 through 6). The associated count is accumulated in temperature register 432 and the count associated with pressure is accumulated in pressure register 434 during another portion of the data transmission (eg, while transmitting words / rows 9-13). To achieve delayed turn-on for data acquisition circuit 454, row decoder & NT, NPControl circuit 442, for example, may clock CAPTURE when clocking to bit 1 of row 2. The NT signal can be sent to the programmable current scaling circuit 510 and the relaxation oscillator circuit 512, after which a different “Capture @ Temp” signal can be sent to the data acquisition circuit 454 when clocking to bit 2 of row 2. it can. Similarly, CAPTURE The NT signal and the "Capture @ Temp" signal can be sent at different times or together (e.g., when clocking to bit 1 of row 7).
[0196]
While the invention has been illustrated and described in the drawings and foregoing description, it should be understood that it is by way of example only and not limitation of the invention, but is shown and described of only the preferred embodiments. It is desirable that all modifications fall within the spirit of the invention and be protected. Undoubtedly, many other "changes" to the above "subject" will occur to those skilled in the art to which the invention pertains most closely, and those changes will not be It is intended to be included within the scope of.
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a generalized view of an RF transponder device of the present invention with an external reader / interrogator and an RF transponder in a pneumatic tire.
FIG. 2
FIG. 3 is a block diagram of the main components of an RF transponder of an earlier model of the present invention.
FIG. 3
FIG. 3 is a circuit diagram of the main part of the RF transponder of FIG. 2 in a previous model of the invention.
FIG. 3A
FIG. 3 is a circuit diagram of a portion of the RF transponder of FIG. 2 of a previous model of the present invention.
FIG. 3B
FIG. 3 is a circuit diagram of a portion of the RF transponder of FIG. 2 of a previous model of the present invention.
FIG. 3C
FIG. 3 is a diagram in the memory space of the RF transponder of FIG. 2 showing how data is arranged and transmitted according to a previous model of the present invention.
FIG. 3D
FIG. 3 is a graph of transponder indication and transponder power of the RF transponder of FIG. 2 for a previous model of the present invention.
FIG. 4A
It is a block diagram of the main components of the RF transponder of the present invention.
FIG. 4B
FIG. 4B is a diagram in the memory space of the RF transponder of FIG. 4A showing how data is arranged and transmitted according to a previous model of the present invention.
FIG. 5
FIG. 4B is a circuit diagram of a current scaling unit and a relaxation oscillator unit of the RF transponder of FIG. 4A according to the present invention.
FIG. 5A
FIG. 6 is a circuit diagram of a logic unit of the relaxation oscillator unit of FIG. 5 according to the present invention.

Claims (25)

測定スイッチング回路(315、515a、515b)と、第1の位相経路(314a、514a)および第2の位相経路(314b、514b)を有するセット‐リセット回路(314、514)と、出力(Fosc′)とを備える弛張発振器(252、312、452、512)へ測定電流(I(T)、I(T)/N、I(T)B)を供給する測定電流源(306、308)を備えているRFトランスポンダ(102、200、400)において、
論理回路(531)と、
測定スイッチング回路内に配置されている測定コンデンサ(CFX、C)と、
前記論理回路により制御され、測定コンデンサを充電する測定電流を測定コンデンサに供給する第1のトランジスタ(P9、P11)と、
前記論理回路により制御されるトランジスタ(P13、N13、P14、N15)を有し、第2のトランジスタ(N9、N11)内の測定電流を写して、測定コンデンサを充電する電流ミラー(N10、N12)とを備え、
前記論理回路は、測定制御信号(PHASE1 NT、PHASE2 NT、PHASE1 NP、PHASE2 NP)を供給し、セット‐リセット回路の位相を示す信号(PHASE1、PHASE2)をタイミング発生器(442)からの信号(CAPTURE NT、CAPTURE NP)に組合わせて、測定コンデンサの交番する充電と放電をセット‐リセット回路の位相に従って制御することを特徴とするRFトランスポンダ(102、200、400)。
A measurement switching circuit (315, 515a, 515b), a set-reset circuit (314, 514) having a first phase path (314a, 514a) and a second phase path (314b, 514b), and an output (Fosc '). ), Which supply measurement currents (I (T), I (T) / N, I (T) B) to the relaxation oscillators (252, 312, 452, 512). RF transponders (102, 200, 400)
A logic circuit (531);
Measuring capacitors (C FX , C P ) arranged in the measuring switching circuit;
A first transistor (P9, P11) controlled by the logic circuit to supply a measurement current for charging the measurement capacitor to the measurement capacitor;
A current mirror (N10, N12) having transistors (P13, N13, P14, N15) controlled by the logic circuit, copying the measurement current in the second transistor (N9, N11) and charging the measurement capacitor; With
The logic circuit includes a measurement control signal (PHASE1   NT, PHASE2   NT, PHASE1   NP, PHASE2   NP) and signals (PHASE1, PHASE2) indicating the phase of the set-reset circuit are output from a signal (CAPTURE) from the timing generator (442).   NT, CAPTURE   An RF transponder (102, 200, 400) characterized in that, in combination with NP), the alternating charging and discharging of the measuring capacitor is controlled according to the phase of the set-reset circuit.
測定電流が測定されたパラメータを示し、
測定コンデンサが固定された容量値を持ち、弛張発振器出力が測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である、
ことを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。
The measured current indicates the measured parameter,
A measurement capacitor having a fixed capacitance value, the relaxation oscillator output being a signal having a frequency indicative of the measured parameter;
The RF transponder according to claim 1, wherein:
測定されたパラメータが温度であることを特徴とする請求項2に記載のRFトランスポンダ。3. The RF transponder according to claim 2, wherein the measured parameter is temperature. 測定コンデンサが測定されたパラメータを示す変化する容量値を持ち、弛張発振器出力が測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である、
ことを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。
The measurement capacitor is a signal having a varying capacitance value indicating the measured parameter, and the relaxation oscillator output having a frequency indicating the measured parameter;
The RF transponder according to claim 1, wherein:
測定電流が測定された第1のパラメータを示し、
測定コンデンサが第2の測定されたパラメータを示す変化する容量値を持ち、弛張発振器出力が第1の測定されたパラメータと第2の測定されたパラメータを示す周波数を有する信号である、
ことを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。
Indicating a first parameter at which the measured current was measured;
The measurement capacitor has a varying capacitance value indicative of a second measured parameter, and the relaxation oscillator output is a signal having a frequency indicative of the first measured parameter and the second measured parameter;
The RF transponder according to claim 1, wherein:
第1の測定されたパラメータが温度であり、第2の測定されたパラメータが圧力であることを特徴とする請求項5に記載のRFトランスポンダ。The RF transponder according to claim 5, wherein the first measured parameter is temperature and the second measured parameter is pressure. 弛張発振器に供給された測定電流をスケーリングする(I(T)B)ために測定電流源と弛張発振器の間に挿入されているプログラム可能な電流スケーリング回路(510)を備えていることを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。A programmable current scaling circuit (510) inserted between the measurement current source and the relaxation oscillator to scale (I (T) B) the measurement current supplied to the relaxation oscillator. The RF transponder according to claim 1. プログラム可能な電流スケーリング回路が、
少なくとも1つのスケーリング・トリムビット(TRIMBIT 5..TRIMBIT 9)の設定により制御される少なくとも1つのスケーリング・トリムスイッチ(S5、S6、S7、S8、S9)を備え、各スケーリング・トリムスイッチは、測定電流のスケーリングを制御するために、少なくとも1つのスケーリングトランジスタ(P6.05、P6.1、P6.2、P6.4)に直列に接続されていることを特徴とする請求項7に記載のRFトランスポンダ。
Programmable current scaling circuit
At least one scaling trim bit (TRIMBIT)   5. . TRIMBIT   9) At least one scaling trim switch (S5, S6, S7, S8, S9) controlled by the setting of 9), wherein each scaling trim switch has at least one scaling trim switch to control the scaling of the measured current. 8. The RF transponder according to claim 7, wherein the RF transponder is connected in series to the transistor (P6.05, P6.1, P6.2, P6.4).
プログラム可能な電流スケーリング回路が、
アナログ電圧源である電源(Vcc)を備えていることを特徴とする請求項7に記載のRFトランスポンダ。
Programmable current scaling circuit
The RF transponder according to claim 7, further comprising a power supply (Vcc) that is an analog voltage source.
第1の固定されている基準電圧(Vbg)に接続されている負入力端子と、測定コンデンサの充電される側に接続されている正入力端子とを有する、第1の位相経路内の第1の比較器(516a)と、
第1の固定されている基準電圧より低い第2の固定されている基準電圧(Vbg/2)に接続されている正入力端子と、測定コンデンサの充電される側に接続されている負入力端子とを有する、第2の位相経路内の第2の比較器(516b)と、
を備えていることを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。
A first in the first phase path having a negative input terminal connected to a first fixed reference voltage (Vbg) and a positive input terminal connected to the charged side of the measurement capacitor. A comparator (516a),
A positive input terminal connected to a second fixed reference voltage (Vbg / 2) lower than the first fixed reference voltage, and a negative input terminal connected to the charged side of the measuring capacitor A second comparator (516b) in a second phase path having:
The RF transponder according to claim 1, further comprising:
論理回路により制御され、測定コンデンサを放電するために小さいバイアス電流(Ibias)を電流ミラーに接続するバイアス制御トランジスタ(P10、P12)を備えていることを特徴とする請求項1に記載のRFトランスポンダ。2. The RF transponder according to claim 1, further comprising a bias control transistor (P10, P12) controlled by a logic circuit for connecting a small bias current (Ibias) to a current mirror for discharging the measuring capacitor. . 第1の位相経路(314a、514a)および第2の位相経路(314b、514b)を有するセット‐リセット回路(314、514)と、出力(Fosc′)とを備える弛張発振器(312、252、512、452)へ測定電流(I(T)、I(T)/N、I(T)B)を供給する測定電流源(306、308)を備えているRFトランスポンダ(102、200、400)において、
出力を有する第1の測定スイッチング回路(515a)および出力を有する第2の測定スイッチング回路(515b)と、
論理回路(531)と、
第1の測定スイッチング回路(515a)の出力に配置されている第1の測定コンデンサ(CFX)と、
論理回路により制御され、第1の測定スイッチング回路の出力をセット‐リセット回路に接続する第1のスイッチ(ST2)と、
第2の測定スイッチング回路(515b)の出力に配置されている第2の測定コンデンサ(C)と、
論理回路により制御され、第2の測定スイッチング回路の出力をセット‐リセット回路に接続する第2のスイッチ(SP2)と、
論理回路により制御され、第1の測定コンデンサを充電する測定電流を第1の測定コンデンサに供給する第1のトランジスタ(P9)と、
論理回路により制御されるトランジスタ(P13、N13)を有し、第2のトランジスタ(N9)内の測定電流を写して、第1の測定コンデンサを充電する第1の電流ミラー(N10)と、
論理回路により制御され、第2の測定コンデンサを充電する測定電流を第2の測定コンデンサに供給する第3のトランジスタ(P11)と、
論理回路により制御されるトランジスタ(P14、N15)を有し、第4のトランジスタ(N11)内の測定電流を写して、第2の測定コンデンサを充電する第2の電流ミラー(N12)とを備え、
論理回路は、セット‐リセット回路の位相を示す信号(PHASE1、PHASE2)にタイミング発生器(442)からの信号(CAPTURE NT、CAPTURE NP)に組合わせて、第1の測定コンデンサの交番する充電と放電をセット‐リセット回路の位相に従って制御する第1の測定制御信号(PHASE1 NT、PHASE2 NT)を供給し、
論理回路は、セット‐リセット回路の位相を示す信号(PHASE1、PHASE2)にタイミング発生器(442)からの信号(CAPTURE NT、CAPTURE NP)に組合わせて、第2の測定コンデンサの交番する充電と放電をセット‐リセット回路の位相に従って制御する第2の測定制御信号(PHASE1 NP、PHASE2 NP)を供給し、
論理回路は、タイミング発生器(442)からの信号(CAPTURE NT、CAPTURE NP)を組合わせて、第1のスイッチと第2のスイッチの開閉を制御するコンデンサ選択信号(CFX TO OSC、CP TO OSC)を供給することを特徴とするRFトランスポンダ(102、200、400)。
A relaxation oscillator (312, 252, 512) comprising a set-reset circuit (314, 514) having a first phase path (314a, 514a) and a second phase path (314b, 514b) and an output (Fosc '). , 452) to the RF transponder (102, 200, 400) comprising a measurement current source (306, 308) for supplying a measurement current (I (T), I (T) / N, I (T) B). ,
A first measurement switching circuit having an output (515a) and a second measurement switching circuit having an output (515b);
A logic circuit (531);
A first measurement capacitor (C FX ) located at the output of the first measurement switching circuit (515a);
A first switch (ST2) controlled by a logic circuit and connecting an output of the first measurement switching circuit to a set-reset circuit;
A second measurement capacitor (C P ) located at the output of the second measurement switching circuit (515b);
A second switch (SP2) controlled by the logic circuit and connecting the output of the second measurement switching circuit to the set-reset circuit;
A first transistor (P9), controlled by a logic circuit, for supplying a measurement current for charging the first measurement capacitor to the first measurement capacitor;
A first current mirror (N10) having a transistor (P13, N13) controlled by a logic circuit, copying a measurement current in the second transistor (N9) and charging a first measurement capacitor;
A third transistor (P11), controlled by a logic circuit, for supplying a measurement current for charging the second measurement capacitor to the second measurement capacitor;
A second current mirror (N12) that has a transistor (P14, N15) controlled by a logic circuit, captures a measurement current in the fourth transistor (N11), and charges a second measurement capacitor. ,
The logic circuit applies a signal (CAPTURE) from the timing generator (442) to signals (PHASE1, PHASE2) indicating the phase of the set-reset circuit.   NT, CAPTURE   NP) to control the alternating charging and discharging of the first measuring capacitor according to the phase of the set-reset circuit (PHASE1).   NT, PHASE2   NT),
The logic circuit applies a signal (CAPTURE) from the timing generator (442) to signals (PHASE1, PHASE2) indicating the phase of the set-reset circuit.   NT, CAPTURE   NP) in combination with a second measurement control signal (PHASE1) for controlling the alternating charging and discharging of the second measuring capacitor according to the phase of the set-reset circuit.   NP, PHASE2   NP),
The logic circuit receives a signal (CAPTURE) from the timing generator (442).   NT, CAPTURE   NP) in combination with a capacitor selection signal (CFX) for controlling the opening and closing of the first switch and the second switch.   TO   OSC, CP   TO   An RF transponder (102, 200, 400), characterized in that the transponder (OSC) is supplied.
測定電流が測定されたパラメータを示し、
第1の測定コンデンサが固定された容量値を持ち、弛張発振器出力が、第1のスイッチが閉じられ、第2のスイッチが開かれている時に、第1の測定されたパラメータを示す周波数を有する信号であり、
第2の測定コンデンサが第2の測定されたパラメータを示す、変化する容量値を持ち、弛張発振器出力が、第1のスイッチが開かれ、第2のスイッチが閉じられている時に、第1の測定されたパラメータと第2の測定されたパラメータとを示す周波数を有する信号である、
ことを特徴とする請求項12に記載のRFトランスポンダ。
The measured current indicates the measured parameter,
The first measurement capacitor has a fixed capacitance value, and the relaxation oscillator output has a frequency indicative of the first measured parameter when the first switch is closed and the second switch is open. Signal
A second measurement capacitor has a varying capacitance value indicative of a second measured parameter, and the relaxation oscillator output has a first capacitance when the first switch is open and the second switch is closed. A signal having a frequency indicative of the measured parameter and the second measured parameter.
The RF transponder according to claim 12, wherein:
第1の測定されたパラメータが温度であり、第2の測定されたパラメータが圧力であることを特徴とする請求項13に記載のRFトランスポンダ。14. The RF transponder of claim 13, wherein the first measured parameter is temperature and the second measured parameter is pressure. 弛張発振器に供給された測定電流をスケーリングする(I(T)B)ために測定電流源と弛張発振器の間に挿入されているプログラム可能な電流スケーリング回路(510)を備えていることを特徴とする請求項12に記載のRFトランスポンダ。A programmable current scaling circuit (510) inserted between the measurement current source and the relaxation oscillator to scale (I (T) B) the measurement current supplied to the relaxation oscillator. The RF transponder according to claim 12, wherein プログラム可能な電流スケーリング回路が、
少なくとも1つの温度スケーリング・トリムビット(TRIMBIT 5)の設定により制御され、おのおのが少なくとも1つのスケーリングトランジスタ(P6.05、P6.1、P6.2、P6.4)に直列に接続されている少なくとも1つの温度スケーリング・トリムスイッチ(S5)と、
タイミング発生器からの獲得温度信号(CAPTURE NT)により制御される、おのおのが、少なくとも1つのスケーリングトランジスタの少なくとも1つに直列に接続されて、少なくとも1つの温度スケーリング・トリムスイッチの1つと、少なくとも1つの温度スケーリングスイッチの対応する1つとが閉じられている時に、測定電流のスケーリングを制御する少なくとも1つの温度スケーリングスイッチ(ST1)と、
少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムビット(TRIMBIT 6、TRIMBIT 7、TRIMBIT 8、TRIMBIT 9)の設定により制御され、おのおのが少なくとも1つのスケーリングトランジスタに直列に接続されている少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムスイッチ(S6、S7、S8、S9)と、
タイミング発生器からの獲得圧力信号(CAPTURE NP)により制御される、おのおのが、少なくとも1つのスケーリングトランジスタの少なくとも1つに直列に接続されて、少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムスイッチと、少なくとも1つの圧力スケーリングスイッチとが閉じられている時に、測定電流のスケーリングを制御する少なくとも1つの圧力スケーリングスイッチ(SP1)と、
を備えていることを特徴とする請求項15に記載のRFトランスポンダ。
Programmable current scaling circuit
At least one temperature scaling trim bit (TRIMBIT)   5) At least one temperature scaling trim switch (S5) controlled by the setting of 5), each connected in series with at least one scaling transistor (P6.05, P6.1, P6.2, P6.4). When,
The acquired temperature signal (CAPTURE) from the timing generator   NT), each connected in series with at least one of the at least one scaling transistor to form one of the at least one temperature scaling trim switch and a corresponding one of the at least one temperature scaling switch. At least one temperature scaling switch (ST1) for controlling the scaling of the measured current when closed;
At least one pressure scaling trim bit (TRIMBIT)   6, TRIMBIT   7, TRIMBIT   8, TRIMBIT   9) at least one pressure scaling trim switch (S6, S7, S8, S9) each controlled by the setting of 9), each connected in series with at least one scaling transistor;
Acquired pressure signal (CAPTURE) from timing generator   NP), each connected in series with at least one of the at least one scaling transistor to close at least one pressure scaling trim switch and at least one pressure scaling switch; At least one pressure scaling switch (SP1) for controlling the scaling of the measured current;
16. The RF transponder according to claim 15, comprising:
プログラミング可能な電流スケーリング回路が、
少なくとも1つの温度スケーリング・トリムビットと獲得温度信号とにより制御される少なくとも1つの温度スケーリング・トリムスイッチの各1つのための単一のスイッチを形成する、少なくとも1つの温度スケーリング・トリムスイッチの各1つと少なくとも1つの温度スケーリングスイッチの1つとの組合わせと、
少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムビットと獲得圧力信号とにより制御される少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムスイッチの各1つのための単一のスイッチを形成する、少なくとも1つの圧力スケーリング・トリムスイッチの各1つと少なくとも1つの圧力スケーリングスイッチの1つとの組合わせと、
を更に備えていることを特徴とする請求項16に記載のRFトランスポンダ。
Programmable current scaling circuit
Each one of the at least one temperature scaling trim switch forming a single switch for each one of the at least one temperature scaling trim switch controlled by the at least one temperature scaling trim bit and the acquired temperature signal. One and at least one of the temperature scaling switches;
Each one of the at least one pressure scaling trim switch forming a single switch for each one of the at least one pressure scaling trim switch controlled by the at least one pressure scaling trim bit and the acquired pressure signal. One and at least one of the pressure scaling switches;
The RF transponder according to claim 16, further comprising:
プログラム可能な電流スケーリング回路が、
アナログ電源である電源(Vcc)、
を備えていることを特徴とする請求項15に記載のRFトランスポンダ。
Programmable current scaling circuit
Power supply (Vcc) which is an analog power supply,
16. The RF transponder according to claim 15, comprising:
第1の固定されている基準電圧(Vbg)に接続されている負入力端子と、第1のスイッチと第2のスイッチにより選択された、第1の測定コンデンサと第2の測定コンデンサとの充電される側に接続されている正入力端子とを有する、第1の位相経路内の第1の比較器(516a)と、
第1の固定されている基準電圧より低い第2の固定されている基準電圧(Vbg/2)に接続されている正入力端子と、第1のスイッチと第2のスイッチにより選択された、第1の測定コンデンサと第2の測定コンデンサとの充電される側に接続されている負入力端子とを有する、第2の位相経路内の第2の比較器(516b)と、
を備えていることを特徴とする請求項12に記載のRFトランスポンダ。
A negative input terminal connected to a first fixed reference voltage (Vbg); and charging of the first and second measuring capacitors selected by the first and second switches. A first comparator (516a) in a first phase path having a positive input terminal connected to the side to be connected;
A positive input terminal connected to a second fixed reference voltage (Vbg / 2) that is lower than the first fixed reference voltage, and a positive input terminal selected by the first switch and the second switch; A second comparator (516b) in a second phase path having a first measuring capacitor and a negative input terminal connected to the charged side of the second measuring capacitor;
13. The RF transponder according to claim 12, comprising:
論理回路により制御され、第1の測定コンデンサを放電するために小さいバイアス電流(Ibias)を第1の電流ミラーに接続する第1のバイアス制御トランジスタ(P10)と、
論理回路により制御され、第2の測定コンデンサを放電するために小さいバイアス電流(Ibias)を第2の電流ミラーに接続する第2のバイアス制御トランジスタ(P12)とを備えていることを特徴とする請求項12に記載のRFトランスポンダ。
A first bias control transistor (P10), controlled by a logic circuit, for connecting a small bias current (Ibias) to the first current mirror to discharge the first measurement capacitor;
A second bias control transistor (P12), controlled by a logic circuit, for connecting a small bias current (Ibias) to the second current mirror to discharge the second measurement capacitor. An RF transponder according to claim 12.
少なくとも1つの測定スイッチング回路(315、515a、515b)を有し、発振測定信号(Fosc′)の周波数は測定されたパラメータ(T、P)を示す弛張発振器を有する、RFトランスポンダ(102、200、400)において発振測定信号(Fosc′)を発生する方法において、
測定電流(I(T)、I(T)/N、I(T)B)を少なくとも1つの測定スイッチング回路に供給することと、
少なくとも1つの測定スイッチング回路(515a、515b)の各1つに測定コンデンサ(CFX、C)を設けることと、
測定コンデンサを充電するために測定コンデンサに測定電流を供給することと、測定コンデンサを放電するために測定コンデンサに写された測定電流を供給することとを交互に行うことと、
を備えていることを特徴とするRFトランスポンダ(102、200、400)において発振測定信号(Fosc′)を発生する方法。
The RF transponder (102, 200, 400) generating an oscillation measurement signal (Fosc ') at 400)
Supplying a measurement current (I (T), I (T) / N, I (T) B) to at least one measurement switching circuit;
Providing a measuring capacitor (C FX , C P ) in each one of the at least one measuring switching circuit (515a, 515b);
Alternately supplying a measuring current to the measuring capacitor to charge the measuring capacitor and supplying a measuring current copied to the measuring capacitor to discharge the measuring capacitor;
A method for generating an oscillation measurement signal (Fosc ') in an RF transponder (102, 200, 400), comprising:
測定電流(I(T)B)をスケーリングすることを備え、電流スケーリング係数(B)はプログラムされた設定(TRIMBIT 5..TRIMBIT 9)と測定されたパラメータの種類(T、P)とにより決定され、それにより、測定されたパラメータの指示値(N、N)を最適にするために発振測定信号の周波数を調整することを特徴とする請求項21に記載の方法。Comprising scaling the measured current (I (T) B), wherein the current scaling factor (B) is set to a programmed setting (TRIMBIT).   5. . TRIMBIT   9) the type of measured parameter (T, is determined by the P), whereby the indicated value (N T of measured parameters, to adjust the frequency of the oscillating measurement signal for optimizing the N P) 22. The method of claim 21, wherein: 少なくとも1つの測定スイッチング回路が測定のために使用されていない間に測定コンデンサを放電するために小さいバイアス電流(Ibias)を写すことにより、少なくとも1つの測定スイッチング回路のおのおのが測定のために使用されていないときに、少なくとも1つの測定スイッチング回路のおのおのの測定コンデンサを定められた状態に置くことを特徴とする請求項21に記載の方法。By imaging a small bias current (Ibias) to discharge the measurement capacitor while at least one measurement switching circuit is not being used for measurement, each of the at least one measurement switching circuit is used for measurement. 22. The method according to claim 21, wherein when not in effect, the measuring capacitors of each of the at least one measuring switching circuit are placed in a defined state. 少なくとも1つの測定スイッチング回路の出力をセット‐リセット回路(514)へ送ることと、
セット‐リセット回路が測定のために使用されていない間に、少なくとも1つの測定スイッチング回路の出力端子を接地することにより、セット‐リセット回路を測定のために使用されていない時の定められた状態に置くことを特徴とする請求項21に記載の方法。
Sending the output of at least one measurement switching circuit to a set-reset circuit (514);
A defined state when the set-reset circuit is not used for measurement by grounding the output terminal of at least one measurement switching circuit while the set-reset circuit is not used for measurement 22. The method of claim 21, wherein
弛張発振器が始動した時刻と発振測定信号が測定カウンタ/レジスタ(230、232、234、432、434)へ送られた時刻との間に遅延を加えることにより、測定されたパラメータの読取りが開始される前に弛張発振器が安定できるようにすることを特徴とする請求項21に記載の方法。The reading of the measured parameter is started by adding a delay between the time the relaxation oscillator starts and the time the oscillation measurement signal is sent to the measurement counter / register (230, 232, 234, 432, 434). 22. The method according to claim 21, wherein the relaxation oscillator is allowed to settle before starting.
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