DE102004004292A1

DE102004004292A1 - Anordnung und Verfahren zum bidirektionalen Übertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004004292A1
Application number: DE102004004292A
Authority: DE
Inventors: Gregor Kuchler; Dieter Wagner; Peter Turban
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2005-09-08
Also published as: FR2865589B1; FR2865589A1; US20050163063A1

Abstract

Ein solches Verfahren wird für ein Reifendruckmesssystem verwendet. Dabei sendet ein Transceiver (5) bei Auslösung ein Energiesignal zu einem Transponder (1) im Reifen (4), der daraufhin mit einem Datensignal antwortet. Damit die Energiesignale anderer Transceiver (5) beim Empfang der Datensignale nicht stören, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energiesignale geschwindigkeitsabhängig in ihrer Wiederholrate ausgelöst werden. Bei hoher Geschwindigkeit wird öfter gesendet als bei niedriger Geschwindigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum bidirektionalen Übertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug, wobei durch ein empfangenes Anforderungssignal ein Antwortsignal mit einer Dateninformation ausgelöst wird.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der Patentschrift US 6,581,449 B1 bekannt. Dabei handelt es sich um ein Warnsystem, bei dem der Reifendruck in jedem Reifen überwacht wird und bei zu niedrigem Druck eine Anzeige erfolgt.

Ein solches System weist fahrzeugseitig ein Sender-Empfänger-Paar (im Folgenden als Transceiver bezeichnet) auf, das jeweils einem Rad des Fahrzeugs zugeordnet ist. In jedem Reifen ist ein Empfänger-Sender-Paar (im Folgenden als Transponder bezeichnet) angeordnet. Der Sender des Transceivers sendet bei Auslösung zunächst ein Energiesignal aus. Dieses Signal löst beim Transponder ein Zurücksenden von aktuellen Reifenparametern vom jeweiligen Reifen zum Fahrzeug aus.

Der Transceiver sendet dabei für eine relativ große Zeitdauer ein Feld mit hoher Feldstärke (hoher Energie) aus, damit der Transponder mit ausreichend Energie versorgt wird (Ladephase). Wenn dann genügend Energie in dem Transponder gespeichert ist, so schaltet der Transceiver sein Feld ab und geht auf Empfangsbetrieb (Empfangsphase). Der Transponder erzeugt mit Hilfe der Energie Reifen- und Reifendruckdaten, die moduliert als Datensignal zurück zu dem Transceiver gesendet werden.

Werden solche Systeme zum Übertragen von Energie und/oder Daten in demselben Übertragungskanal mehrfach bei dem Fahrzeug verwendet, so können Signale mit einer hohen Feldstärke den Empfang der Datensignale stören, wenn beide Signale etwa zeitgleich anstehen. Sind weitere Fahrzeuge in der Umgebung, bei denen ebenfalls ein solches Übertragungssystem gerade in Betrieb ist, das in demselben Frequenzbereich (Übertragungskanal) arbeitet, so können die hohen Feldstärken den Empfang der Datensignale ebenfalls stören, wenn die starken Felder ebenfalls zum Zeitpunkt des Empfangs von Daten am Ort des Empfängers immer noch eine im Empfindlichkeitsbereich des Empfängers liegende Amplitude aufweisen.

Um die Wahrscheinlichkeit solcher Störungen zu verringern, könnte beispielsweise das Abfragen des Reifendrucks seltener stattfinden. Allerdings ist es wünschenswert, dass relativ häufig eine Druck- und eine Temperaturmessung vorgenommen wird, um eine möglichst baldige Rückmeldung zu bekommen, dass sich der Zustand eines Reifen ändert.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, wie Kollisionen zwischen mehreren Sendern, die zu einem Empfänger gehören, vermieden werden können. Viele dieser Verfahren beabsichtigen, die vorhandenen Sender zu unterschiedlichen Zeiten senden zu lassen, um Kollisionen (Störungen) zwischen den Sendern von zwei Sendern und Empfängern zu vermeiden. Dazu werden beispielsweise Zufallszahlen (JP 2002/135274) oder deterministische Größen ( US 6,507,276 ) verwendet, um jeweils unterschiedliche Sendezeiten für die einzelnen Energiesender festzulegen. Eventuell doch auftretende Kollisionen führen trotzdem nicht zum Datenverlust, wenn die Sendung mehrmals wiederholt wird ( US 6,408,690 ). Grundsätzlich werden die Übertragungen unterschiedlicher Sender durch Verwendung von globalen, nur einmal zugewiesenen Identifikationssignalen unterschieden ( EP 1,043,179 ).

Bei diesen bekannten Verfahren können jedoch die Störungen kaum vermieden werden, da die Energieversorgung für passive Transponder relativ viel Zeit in Anspruch nimmt und die Abfragehäufigkeit relativ hoch ist. D.h. die Signale mit hoher Feldstärke müssen relativ lange anstehen; die Wahrscheinlichkeit einer Störung durch diese Signale ist daher hoch. Außerdem werden bei diesen Verfahren die Störungen durch andere Fahrzeuge mit identischen Systemen nicht berücksichtigt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zum Übertragen von Energie und Daten bei einem Kraftfahrzeug zu schaffen, bei denen der Empfang von Datensignalen möglichst wenig gestört wird durch externe elektromagnetische Felder.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. Dabei wird die Wiederholrate des Aussendens eines ersten Signals durch einen Sender eines Transceivers abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ausgelöst. Ein passiver Transponder bereitet nach Empfang des Signals Daten auf und sendet diese moduliert zu dem Transceiver zurück. Infolgedessen ist das Zurücksenden auch mit der Fahrzeuggeschwindigkeit korreliert. Die Geschwindigkeitsinformation erhält der Transceiver von einem Geschwindigkeitsgeber, der über eine Datenleitung mit dem Transceiver unmittelbar oder mittelbar über eine Steuereinheit verbunden ist. Folglich kann bei einer hohen Geschwindigkeit die Übertragung von Signalen öfter stattfinden und bei niedriger Geschwindigkeit seltener. Denn bei hoher Geschwindigkeit beträgt der Abstand zu anderen Fahrzeugen sehr viel mehr als bei niedriger Geschwindigkeit oder im Stillstand. Somit ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass fremde Energiesender überhaupt in der Nähe des Fahrzeugs sind. Somit ist die Wahrscheinlichkeit einer Störung der Datenübertragung auch geringer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet. Vorteilhaft ist es, eine solche Anordnung und ein solches Verfahren bei einem Reifendruckmesssystem zu verwenden. Dann können die Drucksensoren in den Reifen bei hohen Geschwindigkeiten öfter abgefragt werden.

Denn gerade bei hoher Geschwindigkeit besteht ein höheres Risiko für einen Unfall bei unzureichendem Reifendruck. Denn der Fahrer sollte frühzeitig über einen Druckverlust gewarnt werden. Das geschwindigkeitsabhängige Auslösen der Abfrage nach dem Reifendruck hat weiterhin den Vorteil, dass insgesamt gesehen weniger oft ein Energiespeicher (Akkumulator) geladen wird und somit dieser von seiner Lebensdauer her geschont wird.

Es wird auch kein separater Geschwindigkeitsgeber benötigt. Denn die Information über die Geschwindigkeit liegt im Kraftfahrzeug ohnehin für ABS oder die Motorsteuerung vor. Diese Information steht im Kraftfahrzeug allen elektrischen Geräten zur Verfügung, wenn diese an den Fahrzeugdatenbus angeschlossen sind. Das geschwindigkeitsabhängige Auslösen eines Abfragesignals kann auch mit anderen Verfahren wie den Reifendruckmesssystemen eingesetzt werden, bei denen der Einfluss von Störsignalen, insbesondere bei weiterer Verbreitung dieser Systeme bei vielen Fahrzeugen, möglichst verringert werden soll.

Die Geschwindigkeitsinformationen müssen nicht zu jedem einzelnen Transceiver gelangen. Es kann auch eine zentrale Steuereinheit die Geschwindigkeitsinformation erhalten, und die daran angeschlossenen Transceiver geschwindigkeitsabhängig anweisen, ein Abfragesignal auszusenden. Die zentrale Steuereinheit sorgt auch dafür, dass die Transceiver des Fahrzeugs zum Aussenden der Abfragesignale nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.

So kann eine solche Anordnung für ein Reifendruckmesssystem mit einem passiven Transponder verwendet werden, bei dem ein Energiesender sowie ein Datenempfänger jeweils einem Rad zugeordnet und in der Nähe von diesem fahrzeugseitig angeordnet sind. Ein Datensender sowie ein Energieempfänger sind jeweils in einem Reifen des Fahrzeugs angeordnet. Durch die nahe Anordnung zueinander können die Energiesignale relativ klein gehalten werden. Wenn zusätzlich noch geschwindigkeitsabhängig das Auslösen der Energiesignale (d.h. die zeitlichen Abstände der Energiesignale) vorgenommen wird, so stören diese seltener bei funktionell identischen Systemen von anderen Fahrzeugen und umgekehrt.

Der Datensender ist vorteilhaft mit einem Reifendrucksensor, einem Temperatursensor, einem Reifenverschleißsensor oder einem Belastungssensor verbunden. Somit können die aktuellen Reifenparameter häufig genug abgefragt werden und bei Abweichen von Referenzwerten kann eine optische oder akustische Anzeige für den Fahrer ausgelöst werden.

Der Energieempfänger weist einen Zwischenspeicher auf, in dem die übertragene Energie zwischengespeichert wird. Sobald das Übertragen der Energie beendet ist, wird die Energie diesem Zwischenspeicher entnommen und zum Aufbereiten und Aussenden von Daten verwendet. Bei Verwendung einer Belastungsmodulation steht das Energiesignal auch noch während des Sendens des Datensignals an. Der Transceiver wird dabei vom Transponder im Rhythmus der Daten "belastet", wodurch die Daten auf den Transceiver übertragen werden.

Als Geschwindigkeitsgeber kann ein ohnehin im Fahrzeug vorhandene Geschwindigkeitsgeber beispielsweise des ABS-Systems verwendet werden. Die Geschwindigkeitssignale stehen auf dem Fahrzeugdatenbus (Datenleitung) allen anderen an den Bus angeschlossenen Geräten zur Verfügung. Somit kann das Steuergerät oder der Transceiver mit dem Energiesender geschwindigkeitsabhängig zum Auslösen der Drucksignale angesteuert werden. Es wird daher kein zusätzlicher Geschwindigkeitsgeber mehr benötigt.

Der Energiesender sowie der Datenempfänger können als Transceiver in einem eigenen Gehäuse und der Energieempfänger sowie der Datensender als Transponder in einem eigenen Gehäuse oder als jeweils eine bauliche Einheit mit jeweils einer gemeinsamen Sende- und Empfangsantenne ausgebildet sein.

Damit der Energieempfänger und der Datensender nicht zuviel Energie benötigen und nicht zu aufwändig aufgebaut sein müssen, arbeiten beide im selben Frequenzband, das heißt bei etwa gleicher Trägerfrequenz. Somit werden keine unterschiedlichen Übertragungstechnologien benötigt, die einen Mehraufwand darstellen würden.

Die Datenempfänger werden weniger gestört, wenn alle Energiesender in einem Kraftfahrzeug zu unterschiedlichen Zeiten und zeitlich nicht überlappend ihre Energiesignale aussenden.

Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren können vorteilhafterweise bei einem Reifendruckmesssystem verwendet werden, bei dem es ohnehin vorteilhaft ist, wenn bei hohen Geschwindigkeiten öfters der Reifendruck kontrolliert wird. Die Anordnung und das Verfahren können auch bei anderen Verwendungsmöglichkeiten eingesetzt werden, bei denen Signale drahtlos zu einem entfernt gelegenen Empfänger übertragen werden und dort das Zurücksenden von Daten auslösen. Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren wäre auch für ein Airbagsystem (Rückhaltesystem) möglich, da auch bei diesen bei hohen Geschwindigkeiten öfter eine Übertragung von Positionsdaten von Personen auf den Sitzen wünschenswert ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher dargestellt. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zum bidirektionalen Übertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug mit einem Reifendruckmesssystem,
2 einen Schnitt durch ein Rad mit einer Anordnung gemäß 1
3 eine Draufsicht auf ein Rad mit einer Anordnung nach 1,
4 ein Blockschaltbild eines Transceivers und eines passiven Transponders einer Anordnung gemäß 1 und
5A bis 5D zeitliche Intensitätsverläufe der übertragenen Signale.
Im Folgenden wird eine Anordnung und ein Verfahren zum bidirektionalen Übertragen von Signalen zwischen zwei entfernt voneinander im Kraftfahrzeug angeordneten Sende-Empfangs-Einheiten am Ausführungsbeispiel eines Reifendruckmesssystems beispielhaft erläutert. Dabei wird ein Transceiver verwendet, um Energie zu einem passiven Transponder zu senden, wodurch eine Rücksendung von Reifendaten vom Transponder zum Transceiver veranlasst wird.
Unter einem "Transponder" ist dabei ein elektronisches Gerät zu verstehen, das sowohl Signale empfangen als auch senden kann. Dem gesendeten Signal werden dabei verschiedene Informationen aufmoduliert. Solche Informationen können gemessene Werte sein oder auch sonstige physikalische Parameter, wie Reifendruck, Temperatur, Umdrehungen, Beschleunigungen, Reifenabnutzung, Belastung usw. Es können auch feste Informationen dem Signal aufmoduliert werden, wie beispielsweise eine individuelle Reifenkennung. Bei Transpondern wird unterschieden zwischen passiven Transpondern und aktiven Transpondern. Passive Transponder benötigen Energie, die ihnen von einem Transceiver zugesendet wird. Ein solcher Transceiver kann auch als Abfragegerät bezeichnet werden. Aktive Transponder benötigen keine externe Spannungsquelle, sondern haben eine eigene Spannungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator. Aktive Transponder bleiben solange im Sleep- oder Stand-by-Modus, bis sie durch ein Anforderungs- oder Abfragesignal eines Transceivers geweckt werden. Passive Transponder hingegen senden automatisch ihr Signal zurück, sobald genügend Energie von dem Transceiver empfangen wurde (Energiesignale können noch anstehen) oder sobald die Energieübertragung beendet wird (d.h. die Energiesignale stehen nicht mehr an und der Übertragungskanal ist "frei").
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nach 1 ist je ein passiver Transponder 1 in jedem Rad 2 angeordnet. Er weist eine axial zur Radachse angeordnete Antenne 3 auf, die vorteilhafterweise an der Seitenwand des Reifens 4 angeordnet ist. Die Antenne 3 ist mit dem eigentlichen Transponder 1 induktiv oder magnetisch gekoppelt (der Transponder 1 wird in der 4 näher erläutert). Jeder Radposition (vorne links und rechts sowie hinten links und rechts) ist zumindest ein Transceiver 5 zugeordnet. Die räumliche Zuordnung kann dadurch vorgenommen werden, dass jeweils eine Antenne 6 des Transeivers 5 in der Nähe jeden Rades 2 angeordnet ist oder der komplette Transceiver 5.
Der Transceiver 5 ist mit einer Steuereinheit 7 verbunden, die ihrerseits an eine Datenleitung 8 (beispielsweise den Fahrzeugbus) angeschlossen ist. Mit dem Fahrzeugbus sind auch viele andere Geräte, wie ein Raddrehzahlgeber (vgl. 4) als Geschwindigkeitsgeber 9 für ein ABS (Antiblockiersystem für Bremsen), eine Motorsteuerung oder eine Anzeigeeinheit 10 (Display) verbunden.
Falls die Transceiver 5 in unmittelbarer Nähe der Räder 2 angeordnet sind, so können sie über den Fahrzeugbus mit einer gemeinsamen Steuereinheit 7 verbunden sein. Bei der Erfindung ist es vorteilhaft, die Antennen 6 der Transceiver 5 nahe bei den Antennen 3 der Transponder 1 anzuordnen, damit die von den Transceivern 5 ausgesendeten Felder auch tatsächlich von den Transpondern 1 empfangen werden. Je näher die beiden zueinander angeordnet sind und je besser die elektromagnetische Kopplung ist, desto kleiner kann die Feldstärke des Transceivers 5 und auch die des Transponders 1 ausgelegt werden, um dennoch sicher Energie und Daten zu empfangen. Dies hat den Vorteil, dass andere, entferntere Empfänger weniger gestört werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein induktiv arbeitendes System zum Übertragen von Energie und Daten, bei dem jeweils der Transceiver 5 und der Transponder 1 je eine gemeinsame Sende- und Empfangsantenne 3, 6 verwenden, die jeweils als Spule ausgebildet sind. Die Sende- und Empfangsantenne 6 des Transceivers 5 ist jeweils einem Rad 2 und möglichst nahe an der Antenne 3 des Transponder 1 angeordnet (2). Die Antenne 6 des Transceivers 5 ist derart ausgerichtet, dass ihr Magnetfeld B mit ausreichender Stärke im Bereich der Antenne 3 des Transponders 1 im Reifen 4 wirksam ist (gute magnetische Kopplung), wenn die Spule von einem Wechselstrom durchflossen wird. Wenn das von einer Spule erzeugte Magnetfeld die Windungsfläche(n) der jeweils anderen Spule mit ausreichender Dichte schneidet, so besteht eine gute Kopplung und damit eine gute Signalübertragung.
In 2 ist die Antenne 6 des Transceivers 5 als Spule mit einem Ferritkern am Federbein 11 angeordnet. Die Antenne 3 des Transponders 1 ist als Ringspule axial (mit der Radachse als Mittelachse) am Umfang und an der inneren Seitenwand des Reifens 4 angeordnet (2 und 3). Zwischen den beiden Antennen 3, 6 sollten möglichst keine metallenen Teile angeordnet sein, damit die Übertragung von Signalen nicht abgeschirmt oder gedämpft wird. Daher sollte die Antenne 3 nicht auf die Felge des Rades 2 montiert werden, da die Felge üblicherweise aus Metall hergestellt ist und die Signale verfälschen würde. Wenn die Antenne 6 des Transceivers 5 auf Höhe sowie in der Nähe der Anntenne 3 des Transponders 1 und etwa senkrecht dazu angeordnet ist, so sind die Magnetflüsse der beiden Spulen gut miteinander gekoppelt, so dass Signale hin- und her übertragen werden können.
Zum Senden von Energie (und ggf. auch Daten) weist der Transceiver 5 zunächst ein Treiberstufe 13 (4) auf, die einen LC-Schwingkreis 14 mit der Spule L₁ (Antennenspule) und einem Kondensator C₁ mit einer Schwingung anregt. Zum Steuern des Sendens wird der Transceiver 5 über eine Schnittstelle 15 von der Steuereinheit 7 gesteuert.
Zum Empfang von Daten wird ebenfalls der LC-Schwingkreis 14 ausgenutzt, wobei die empfangene, induzierte Schwingung (magnetische Einkopplung in die Spule L₁) über einen Demodulator 16 abgegriffen wird (demoduliert) und die darin enthaltenen Daten über die Schnittstelle 15 an die Steuereinheit 7 zum Auswerten geleitet werden.
Der Transponder 1 weist die Ringspule als Antenne 3 auf (identisch mit der Spule L₂ in 4), die axial im Reifen 4 angeordnet ist. Ein durch den LC-Schwingkreis 14 des Transceivers 5 erzeugtes, nieder- oder hochfrequentes Magnetfeld induziert bei guter magnetischer Kopplung eine Schwingung in dem Antennenkreis des Transponders 1. Diese Schwingung wird über einen Anpassungstransformator 18 zu dem eigentlichen Transponder 1 mit einem parallelen LC-Schwingkreis 19 mit einer Spule L₃ (Teil des Anpassungstransformators 18) und einem Kondensator C₃ geleitet. Die Spule L₃ ist gemäß 3 in die Antenne 3 eingefädelt (gekoppelt). Somit ist – unabhängig von der Radwinkelstellung (siehe gepunktete Linie und Pfeil in 3) des Transponders 1 – der Transponder 1 mit dem Transceiver 5 immer induktive gekoppelt, da das Magnetfeld B mit der Antenne 3 immer gekoppelt ist.
Der Transponder 1 weist einen Gleichrichter 20 auf, durch den die empfangene Schwingung gleichgerichtet wird, um einen Energiespeicher 21 (hier beispielsweise ein Ladekondensator C₄) aufzuladen. Dieser Energiespeicher 21 dient dazu, die Elemente des Transponders 1 mit Energie zu versorgen, um Daten zurück zum Transceiver 5 zu senden. Sobald das Laden des Energiespeichers 21 beendet ist (gleichbedeutend mit dem Ende des Energiesignals vom Transceiver 5), beginnt das Aufbereiten von Daten und das Senden. Die Dauer des Energiesignals ist derart bemessen, dass der Energiespeicher 21 sicher so weit geladen ist, dass die Energie zum Versorgen der Bauteile des Transponders 1 ausreicht.
Die zu sendenden Daten können gemessene physikalische Größen sein oder feste Daten, die im Transponder 1 gespeichert sind. Daher kann der Transponder 1 mit einem oder mehreren Sensoren 22, wie einem Drucksensor, Temperatursensor, Belastungssensor, Reifenabnutzungssensor, Beschleunigungssensor usw. verbunden sein. Die gemessenen Werte werden digital aufbereitet als Daten einem Modulator 23 zugeführt, der dafür sorgt, dass diese Daten einer Trägerschwingung des LC-Schwingkreises 19 des Transponders 1 aufmoduliert werden. Über den Anpassungstransformator 18 wird die modulierte Schwingung zu der Antenne 3 des Transponders 1 übertragen.
Wenn die Antenne 3 des Transponders 1 mit der Antenne 6 des Transceivers 5 gut magnetisch gekoppelt ist, so wird die modulierte Schwingung als niederfrequentes Magnetfeld B auf den Transceiver 5 übertragen. Der LC-Schwingkreis 14 des Transceivers 5 schwingt dann mit der modulierten Schwingung. Die Daten können nun aus dieser Schwingung demoduliert werden.
Auf diese Weise werden die Daten auf den Transceiver 5 übertragen. Dort werden die Daten demoduliert und der Steuereinheit 7 zugeführt. Je nach Anforderung können die Daten dann zum Steuern einer optischen oder akustischen Anzeige oder zum Steuern von sonstigen Funktionen im Kraftfahrzeug verwendet werden.
Die Übertragung von Energie und Daten findet dabei innerhalb eines einzigen Übertragungskanals statt, d.h. bei etwa gleicher Trägerfrequenz sowohl vom Transceiver 5 zum Transponder 1 als auch vom Transponder 1 zurück zum Transceiver 5. Bei der induktiven Übertragung wird vorteilhafterweise als Trägerfrequenz 125 kHz verwendet. Das Frequenzband von 119 bis 135 kHz darf in Deutschland lizenzfrei mit größeren Signalstärken (hier beispielsweise für das Energiesignal) genutzt werden. Bei kleinen Signalstärken (hier beispielsweise das Datensignal) darf ein breiterer Bereich als für große Signalstärken genutzt werden, so dass je nach Bedarf der Frequenzbereich zum Zurücksenden der Daten verlassen werden kann. Die Sender 1, 5 und Empfänger 1, 5 mit ihren LC-Schwingkreisen 14, 19 sind dabei auf diesen Frequenzbereich abgestimmt.
Bei induktiver Übertragung sind Sende- und Empfangskreise mit ihren Resonanzfrequenzen aufeinander abgestimmt (bei ASK = Amplitude Shift Keying sind die Trägerfrequenzen etwa gleich und bei FSK = Frequency Shift Keying liegt die Trägerfrequenz und damit Resonanzfrequenz etwa in der Mitte zwischen den beiden Modulationsfrequenzen). Aufgrund von Bauteiletoleranzen kann es jedoch zu leichten Abweichungen kommen, so dass die Signale innerhalb des gesamten Frequenzbandes des Übertragungskanals mehr oder weniger gut empfangen werden können. Daher können auch störende Magnetfelder, die etwa die gleiche Trägerfrequenz aufweisen, innerhalb des Übertragungskanals und – je nach Störstärke – auch außerhalb des Frequenzbandes zu Verfälschungen und Störungen führen.
Damit genügend Energie für den Transponder 1 bereitgestellt wird, ist die Feldstärke der Energiesignale ausreichend hoch. Bei solchen Signalen mit hoher Energie ist es aus EMV- und sonstigen Störungsgründen wünschenswert, wenn diese Signale nur so lange anstehen wie unbedingt nötig. Die Reichweite der induktiven Signale nimmt stark mit wachsendem Abstand zum Sender ab. Am Ort des Energieempfängers muss noch eine ausreichend hohe Energie und Feldstärke vorhanden sein, damit der Energiespeicher 21 auch effektiv geladen werden kann. Aufgrund der hohen Energie, die zum Laden des Energiespeichers notwendig ist, können durch die Energiesignale andere, weiter entfernte Empfänger im selben Übertragungskanal gestört werden, insbesondere dann, wenn diese Empfänger sehr empfangsempfindlich sind, d.h. von Haus aus so ausgelegt sind, dass sie bereits kleinste Feldstärken detektieren können.
Für die Datensignale steht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nur relativ wenig Energie zur Verfügung. Daher haben diese Datensignale nur eine geringe Feldstärke. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass die Datensignale andere, weiter entfernte Empfänger nicht oder nur gering stören. Damit diese Signale auch empfangen werden können, muss die Empfangsempfindlichkeit der Datenempfänger recht hoch sein. Aus diesem Grunde sind die Datenempfänger auch empfindlich für externe Störsignale oder weiter entfernte Energiesender, wenn die Signale von anderen Sendern noch genügend große Amplituden haben und zeitgleich mit den Datensignalen am Ort des Datenempfängers anstehen.
Daher kann es vorkommen, dass die von einem Transceiver 5 ausgesendeten Energiesignale die Empfänger von anderen, weiter entfernten Transceivern störend beeinflussen, so dass diese das ihnen zugeordnete Datensignal des entsprechenden Transponders nicht oder nicht korrekt empfangen können.
Damit die an jedem Rad 2 ausgesendeten Energiesignale die anderen Datenempfänger 5 innerhalb desselben Kraftfahrzeugs nicht stören, ist es vorteilhaft, wenn jeder einem Rad 2 zugeordnete Transceiver 5 das Energiesignal während eines eigenen Zeitfensters aussendet, so dass sich die Zeitfenster der verschiedenen Energiesignale nicht überlappen.
Wenn andere Fahrzeuge funktionsgleiche Systeme verwenden, die im gleichen Übertragungskanal arbeiten, so kann es, insbesondere bei viel Verkehr, zu Störungen kommen, die durch nahe Fahrzeuge und deren Energiesignale verursacht werden, da die Energiesignale immer noch eine Feldstärke in der Größenordnung der Datensignale aufweisen können und daher das gerade abgefragte Datensignal durch Signalüberlagerung stören.
Bei Reifendruckmesssystemen ist es üblich, dass der Reifendruck intermittierend mit regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen gemessen wird (von der Steuereinheit 7 abgefragt wird). Herkömmlicherweise wird während der Fahrt mit einer festen Wiederholrate gemessen, während im Stillstand nicht oder mit einer geringen Wiederholrate gemessen wird. Damit das eigene Fahrzeug mit seinem Reifendruckmesssystem kaum durch identische Systeme bei anderen Fahrzeugen im Empfang von Datensignalen gestört wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Energiesignale abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit häufiger oder seltener auszulösen.
So wird die Wiederholrate bei hohen Geschwindigkeiten – je nach Geschwindigkeit – erhöht und bei niedrigen Geschwindigkeiten erniedrigt. Da bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit wahrscheinlich weniger andere Fahrzeuge in unmittelbarer Nachbarschaft sind (wenn die Sicherheitsabstände beachtet werden), so können sich auch weniger elektromagnetische Störsignale von anderen Fahrzeugen beim Empfang von Datensignalen auswirken. Falls in diesen Fahrzeugen identische Systeme zum Übertragen von Energie und Daten verwendet werden, die im selben Übertragungskanal arbeiten, so ist dann die Wahrscheinlichkeit geringer, dass störende Signale von den anderen Sendern die Datensignale überlagern.
Bei langsamer Fahrt, insbesondere bei Stau hingegen ist es viel wahrscheinlicher, dass Fahrzeuge mit identischen Übertragungssystemen in der Nähe sind, die dann den Empfang von Daten stören könnten. Wenn daher bei niedriger Geschwindigkeit relativ selten Daten abgefragt werden, so sind die Störungen ebenfalls geringer, da die Zeitfenster, zu denen die Energiesignale gesendet werden, statisch über einen größeren Zeitraum verteilt sind.
Für Reifendruckmesssysteme hat dies den Vorteil, dass die Sicherheit nicht eingeschränkt wird, da bei hoher Geschwindigkeit der Reifendruck öfter abgefragt werden sollte als bei langsamer Fahrt. Denn bei schneller Fahrt muss der Fahrer schneller auf einen zu niedrigen Luftdruck hingewiesen wer den, da die Gefahr eines Unfalls dann viel größer ist. Im Stillstand oder bei langsamer Fahrt genügt ohnehin eine relativ seltene Abfrage des Reifendrucks. Denn die Gefahr eines Unfalls ist dort infolge ungenügenden Drucks recht gering. Die Wiederholrate der Abfragen des Reifendrucks werden dann mit zunehmender Geschwindigkeit immer mehr gesteigert, ohne mehr Störungen durch Fremdstörer zu erhalten, da sich zugleich die Wahrscheinlichkeit von Fremdstörern in der Nähe verringert.
In den 5A bis 5D sind die übertragenen Signale über der Zeit sowohl bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit (in 5A die Energiesignale und in 5B die Datensignale) als auch bei hoher Geschwindigkeit (in 5C die Energiesignale und in 5D die Datensignale) dargestellt. Die Dauer des Energiesignals (Energieschwingung) beträgt etwa 2,5 s (Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁) für einen Aufladevorgang eines Energiespeichers 21 eines Transponders 1 im Reifen 4. Die Dauer des Energiesignals ist dabei immer gleich, unabhängig von der Geschwindigkeit. Lediglich die Wiederholrate des Sendens der Energiesignale wird geschwindigkeitsabhängig verändert.
Hierzu wird eine Sendepause ΔT_i zwischen den Energiesignalen abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert, wobei bei niedriger Geschwindigkeit seltener Energiesignale ausgesendet werden als bei hoher Geschwindigkeit. Die Sendepausen ΔT_i zwischen den Energiesignalen können umgekehrt proportional und linear/stetig zur Fahrzeuggeschwindigkeit oder auch stufenförmig oder schrittweise verändert werden.
In 5B ist das Antwortsignal/Datensignal des Transponders 1 dargestellt, das auf das Übertragen der Energie hin von dem Transponder 1 automatisch ausgelöst und zum Transceiver 5 zurückgesendet wird. Die Datensignale sollten nur kurze Zeit und mit ausreichender Intensität anstehen, damit die Datenempfänger nicht zu lange eingeschaltet bleiben müssen. Es genügt also eine Zeitdauer, die notwendig ist, um die Information oder die Daten vollständig und sicher zu übertragen.
Bei einem Reifendruckmesssystem kann diese Zeitdauer beispielsweise etwa 20 ms (Zeit zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃) betragen, und zwar unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Für die Datensignale sind üblicherweise keine hohen Feldstärken realisierbar, da der Energiespeicher 21 in seiner Energieaufnahmekapazität begrenzt ist.
In den 5A bis 5D sind keine absoluten Werte für die Feldstärken I_E (Feldstärke oder Intensität der Energiesignale) und I_D (Feldstärke oder Intensität der Datensignale) der Signale angegeben, sondern nur schematisch die Größenverhältnisse. So kann es sich bei den Feldstärken I_E, I_D entweder um die Feldstärken I_E, I_D am Empfangsort oder am Sendeort handeln. Da sich die Felder bzgl. ihrer Feldstärke I_E, I_D gleich mit zunehmendem Abstand abschwächen, bleibt die Verhältnisse zueinander gleich.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Reifendruckmesssystems wird ein Energiesignal bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ ausgesendet (5A). Nach Beendigen des Energiesignal wird automatisch das Datensignal erzeugt und zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ zurückgesendet (5B).
Bei höheren Geschwindigkeiten (5C und 5D) ist die Sendepause ΔT₂ zwischen den Energiesignalen kürzer als die Sendepause ΔT₁ bei langsamen Geschwindigkeiten, d.h. es werden die Reifendrücke öfter abgefragt. Die Zeitdauer des Anstehens der Signale bleibt jedoch gleich.
Im Folgenden sei eine stufenförmige Veränderung der Abfragewiederholrate angenommen. So kann bei niedriger Geschwindigkeit (0 bis 30 km/h) die Sendepause ΔT₁ zwischen zwei Energieschwingungen beispielsweise etwa 120 Sekunden bei 2,5 s Dauer der Energieschwingung betragen. Bei einer Geschwindigkeit von 30 bis 60 km/h kann die Sendepause ΔT₂ etwa 60 Sekunden betragen, bei 60 bis 100 km/h etwa 20 Sekunden und über 100 km/h etwa 10 Sekunden.
Das Auslösen der Energiesignale eines jeden Transceivers 5 wird erfindungsgemäß abhängig von der Geschwindigkeit mit einer Wiederholrate proportional zur Geschwindigkeit gesteuert.
Vorteilhaft ist es, wenn ein ohnehin vorhandener Geschwindigkeitsgeber 9, beispielsweise vom einem ABS-System verwendet wird, dessen Geschwindigkeitssignal über den Fahrzeugbus zum ABS-Steuergerät übertragen wird. Da die Steuereinheit 7 für das Reifendruckmesssystem ebenfalls mit dem Fahrzeugbus verbunden ist, hat es Zugriff auf das Geschwindigkeitssignal. Abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit kann dann jeder Transceiver 5 entsprechend angewiesen werden, Energiesignale auszusenden.
Selbstverständlich können auch eigene Geschwindigkeitsgeber 9 verwendet werden, die das Auslösen der Energiesignale abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit steuern.
Statt die Transceiver 5 direkt den Rädern 2 zuzuordnen und in der Nähe dieser anzuordnen, reicht es aus, wenn lediglich die Antennen 6 in der Nähe der Räder 2 angeordnet sind. Es kann dann ein zentraler Transceiver 5 vorhanden sein, der die einzelnen Antennen 6 der Reihe nach und nicht überlappend ansteuert. Im eigenen Fahrzeug sollten die Energiesignale nicht zeitgleich mit Datensignalen ausgesendet werden. Die Zeitpunkte und Zeitdauern des Aussendens der Datensignale ist bekannt, da sie automatisch eine kurze Zeitdauer nach Beenden der Energiesignale zurückgesendet werden.
Es können aber auch Antennen 6 und Transceiver 5 jeweils in der Nähe des Rades 2 angeordnet sein, wobei dann eine zentrale Steuereinheit 7 vorhanden sein kann. Es kann auch in jedem Transceiver 5 eine Steuereinheit 7 enthalten sein. Die Signale können dabei im HF- oder auch im NF-Frequenzbereich in demselben Übertragungskanal ausgesendet werden. Die verwendete Modulation ist für die Erfindung unwesentlich, denn es können je nach Bedarf und Möglichkeit alle bekannten Modulationsarten verwendet werden.
Unter einem Übertragungskanal ist dabei ein reservierter, zusammenhängender Frequenzbereich (Frequenzband) zur Informationsübertragung zwischen Sender und Empfänger zu verstehen. Ein Übertragungskanal ist durch seine Bandbreite und seine Frequenzlage gekennzeichnet, d.h. durch die Lage einer mittleren Frequenz (z.B. einer Trägerfrequenz) im verwendeten Wellenbereich. So kann für die induktive Übertragung von Energie das Frequenzband von 119 bis 135 kHz (Bandbreite 16 kHz) bei der mittleren Frequenz von 125 kHz zugelassen sein. In fast allen Ländern der Welt sind verschiedene Frequenzbänder für die drahtlose Übertragung von Signalen postalisch zugelassen. Wenn die Intensitäten recht klein sind (wie dies bei den Datensignalen der Fall ist), so können die Frequenzbandgrenzen insbesondere bei 125 kHz leicht überschritten werden (z.B. bei einer FSK eine Modulationsfrequenz zwischen 108 und 119 kHz und die andere Modulationsfrequenz zwischen 124 bis 135 kHz liegen). Die tatsächlichen Frequenzen hängen ohnehin von den Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur ab. Die Empfänger sind allerdings sicher in der Lage, zumindest innerhalb des Frequenzbandes und auch knapp darüber hinaus Signale zu empfangen.
Das Problem der gegenseitigen Störung von Datenempfängern durch leistungsstarke Energiesender entsteht nur, wenn die leistungsstarken Signale im selben Frequenzband gesendet werden, wie Datensignale mit niedriger Feldstärke empfangen werden. Wenn das Senden der Energiesignale mit höherer Fahrzeugsgeschwindigkeit öfter vorgenommen wird, so ist es wahrscheinlich, dass weniger Fahrzeuge innerhalb der Reichweite der leistungsstarken Signale sind. Daher kann die Abfragerate der Transponder 1 bei hoher Geschwindigkeit problemlos erhöht werden, ohne dass die Störungen zunehmen.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum bidirektionalen Obertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug und ein solches Verfahren können auch für andere Anwendungen verwendet werden. Ein geschwindigkeitsabhängiges Senden von energiestarken Signalen könnte beispielsweise auch bei einem Airbagsystem verwendet werden. Denn auch bei solchen Systemen sollten Fremdstörer nur wenig Auswirkungen auf die Funktionalität haben. Daher ist es auch da vorteilhaft, wenn eine Datenübertragung bei hoher Geschwindigkeit öfter und bei niedriger Geschwindigkeit seltener vorgenommen wird. Andererseits sind diese Systeme sicherheitsrelevant. Daher sollten Fremdstörungen ohnehin stark verringert werden. Auf jeden Fall ist es vorteilhaft, wenn bei hoher Geschwindigkeit öfter beispielsweise die Position der Person auf dem Sitz abgefragt wird, ohne Gefahr zu laufen, dass das System durch Störsignale anderer Fahrzeuge stark beeinträchtigt wird. Somit würde auch ein Airbagsystem sicherer und eine gegenseitige Beeinflussung durch andere Fahrzeuge bliebe dennoch gering.
Die Datensignale enthalten auch Energie, diese ist jedoch viel kleiner als die Energie, die in den Energiesignalen enthalten ist. Aus diesem Grund werden die Signale mit hoher Feldstärke oder Energie als Energiesignale und die Signale mit niedriger Energie als Datensignale bezeichnet, unabhängig davon, welche Information oder Daten in den jeweiligen Signalen enthalten ist. Bei den Energiesignalen genügt es, diese als sinusförmige Signale ohne Information, d.h. ohne Modulation, zu übertragen. Falls Zustandsinformationen von einem Teil (hier beispielsweise der Reifen 4) benötigt werden, ist es üblich, Daten der Trägerschwingung aufzumodulieren, die dann im Transceiver 5 durch Demodulation zurückerhalten werden. Hierzu genügt es jedoch, wenn die Energie und damit die Feldstärke/Amplitude der Datensignale verglichen mit derjenigen der Energiesignale wesentlich geringer ist.
Auf die Modulationsarten und die Codierung der Signale kommt es dabei nicht an. Vorteilhafterweise werden bei Reifendruckmesssystemen binär codierte Daten mit einer FSK-Modulation übertragen. Auch die Übertragung mit der so genannten Lastmodulation (eine Last, wie der Kondensator C₂, wird dem LC-Schwingkreis 19 parallelgeschaltet und somit dessen Resonanzfrequenz verändert) ist sehr vorteilhaft. Bei der Lastmodulation werden die Daten vom Transponder 1 her induktiv dem LC-Schwingkreis 14 aufgeprägt. Daher bleibt in diesem Fall die Energieschwingung auch noch während dem Zurücksenden der Daten erhalten. Der Demodulator 16 entnimmt die Daten der Schwingung und leitet sie an die Steuereinheit 7 weiter.
Die erfindungsgemäße Anordnung und das Verfahren kann überall dort im Kraftfahrzeug verwendet werden, wo bidirektional Signale übertragen werden und fremde Sendesignale zeitgleich zu erwünschten Empfangsignalen störend vorhanden sein können.
Da energiestarke Signale eher stören, ist es wichtig, dass bei denjenigen Situationen (langsamer Fahrt oder Stillstand), bei denen wahrscheinlich mehr Störer in der Nähe vorhanden sind, weniger oft Energiesignale ausgesendet werden und bei Situationen (schneller Fahrt), bei denen wahrscheinlich weniger Störer in unmittelbarer Nähe sind, öfter Energiesignale ausgesendet werden, verglichen mit einem herkömmlichen System, bei dem die Energiesignale mit einer konstanten Wiederholrate ausgesendet werden.

Claims

Anordnung zum bidirektionalen und drahtlosen Übertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug mit – einem ersten Sender (5, 6), der bei Auslösung durch eine Steuereinheit (7) ein Anforderungssignal aussendet, – einem entfernt davon angeordneten ersten Empfänger (1, 3), der infolge des Empfangs des ersten Signals das Aufbereiten und Aussenden eines Antwortsignals auslöst, – einem zweiten Sender (1, 3), der mit dem ersten Empfänger (1, 3) verbunden ist und der das Antwortsignal aussendet, – einem zweiten Empfänger (5, 6), der entfernt von dem zweiten Sender (1, 3) angeordnet ist und der das Antwortsignal empfängt und an die Steuereinheit (7) zum Auswerten weiterleitet, und mit – einem Geschwindigkeitsgeber (9), der über eine Datenleitung (8) mit der Steuereinheit (7) verbunden ist, wobei das Auslösen des Abfragesignals abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit ist und bei hohen Geschwindigkeiten öfter als bei niedrigen Geschwindigkeiten ein Abfragesignal ausgelöst wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste Sender (5, 6) ein Energiesender ist, der bei Auslösung Energie in einem Energiesignal aussendet, und der zweite Empfänger (5, 6) ein Datenempfänger ist, wobei der Energiesender und der Datenempfänger einen Transceiver (5) bilden, der jeweils einem Rad (2) zugeordnet ist, und – dass der von dem Transceiver (5) entfernt angeordnete erste Empfänger (1, 3) und der damit verbundene zweite Sender (1, 3) einen Transponder (1) bilden, der einen Energiespeicher (21) aufweist, in dem die empfangene Energie zwischenspeichert wird, wobei jeweils ein Transponder (1) in einem Reifen (4) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder (1) mit einem Reifen drucksensor (22) und/oder einem Temperatursensor und/oder einem Belastungssensor verbunden ist, die jeweils gemessene physikalische Größen als Daten an den Datensender (1, 3) zum Aussenden des Antwortsignals leiten.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (21) ein Kondensator (C₄) ist, dessen gespeicherte Energie zum Aussenden der Datensignale und zum Versorgen der mit dem Transponder (1) verbundenen Sensoren (22) mit Energie verwendet wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsgeber (9) ein ohnehin im Kraftfahrzeug vorhandener Geschwindigkeitsgeber (9) ist, der über einen Fahrzeugdatenbus als Datenleitung (8) unmittelbar oder mittelbar über die Steuereinheit (7) mit jedem Energiesender (5, 6) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) eine zentrale Steuereinheit ist, die mit jedem Transceiver (5) verbunden sein kann, und nur die Steuereinheit (7) mit dem Geschwindigkeitsgeber direkt oder über eine Datenleitung verbunden ist.
Verfahren zum bidirektionalen Übertragen von Signalen bei einem Kraftfahrzeug mit den Schritten: – intermittierendes Aussenden von ersten Signalen, wobei die zeitliche Dauern einer Sendepause (ΔT_i) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen abhängig von der Fahrgeschwindigkeit eingestellt werden, und – Empfangen der ersten Signale und Aufbereiten von Daten sowie Aussenden von zweiten Signalen, sobald zumindest ein Teil eines ersten Signals empfangen wurde.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal zumindest ein Energiesignal ist sowie das zweite Signal ein Datensignal und beide Signale jeweils in nerhalb eines Übertragungskanals bei etwa gleicher Trägerfrequenz drahtlos übertragen werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Kraftfahrzeug angeordneten Transceiver (5) zu jeweils unterschiedlichen Zeiten senden, wobei sich die Zeitdauern des Anstehens der jeweiligen ersten Signale zeitlich nicht mit dem Anstehen der zweiten Signale eines nicht in der Nähe des einen Transceivers (5) befindlichen Transponders (1), der in demselben Kraftfahrzeug angeordnet ist, überlappen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Signale bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit weniger oft ausgesendet werden als bei höherer Fahrzeuggeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösung der von der Steuereinheit (7) gesteuerten Transceiver (5) in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt, wobei die Steuereinheit (7) nur jeweils einen Transceiver (5) innerhalb einer Zeitdauer und nicht überlappend mit der Zeitdauer des Ansteuerns eines anderen Transceivers (5) gleichzeitig zum Senden des Energiesignals auslöst.
Reifendruckmesssystem mit einer Anordnung nach Anspruch 1, die mit einem Verfahren nach Anspruch 6 betrieben wird.