DE102005020006A1

DE102005020006A1 - Leitungsfreies energieautarkes Schaltelement

Info

Publication number: DE102005020006A1
Application number: DE102005020006A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Gall; Jochen Dipl.-Ing. Böttcher; Michael Mannigel
Original assignee: Eoa Automotive & Co KG GmbH; Eoa Automotive & Cokg GmbH
Current assignee: Eoa Automotive & Co KG GmbH; Eoa Automotive & Cokg GmbH
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2006114079A2; EP1875527A2; WO2006114079A3; DE112006001763A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein leitungsfreies energieautarkes Schaltelement für eine vorzugsweise Nutzung im Innenraum von Kraftfahrzeugen. DOLLAR A Das leitungsfreie energieautarke Schaltelement mit einem Funksendermodul, welches vorzugsweise in einem ISM-Frequenzband arbeitet und dessen benötigte Energie vorzugsweise durch einen Piezo-Energiewandler bereitgestellt wird, besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse mit einem Betätigungselement, in dem in Baueinheit ein Energiewandler, eine Auswerteschaltung und ein Mikrocontroller angeordnet sind, wobei der Mikrocontroller (3) mit nur einem Reset-Pin und mindestens einem Datenspeicher bestückt ist und dabei nur einen Ein- und einen Ausgang aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein leitungsfreies energieautarkes Schaltelement für eine vorzugsweise Nutzung im Innenraum von Kraftfahrzeugen.

Aus der DE 102 56 156 A1 ist ein energieautarker elektromechanischer Funkschalter, bekannt, welcher mindestens ein Wandlerelement zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie aufweist sowie zumindest ein Betätigungsfeld zum Einbringen der mechanischen Energie und zumindest einen Sensor für jedes Betätigungsfeld zur Erkennung des Schaltbefehls und zumindest eine Elektronik zur Erzeugung und Absendung eines Funksignals und eine Mechanik zur Umlenkung der durch das Betätigungsfeld eingebrachten Kräfte auf das Wandlerelement besitzt.

Der Nachteil besteht hierbei darin, daß zusätzliche Sensoren (mechanische Taster) zur Erkennung des Schaltbefehls erforderlich sind bzw. zur Auswertung der Betätigungsrichtung benötigt werden.

In der DE 101 55 125 B4 wird eine Vorrichtung zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie mit einem Piezowandler beschrieben, wobei durch eine Weguntersetzung der Verformungsweg der Verformungsmechanik beim Speichern der mechanischen Energie größer ist als bei der Abgabe der mechanischen Energie an den Piezowandler, so daß durch die Hebelwirkung eine auf den Piezowandler einwirkende Kraft erreicht wird, die um den durch Hebelwirkung erzielten Faktor der Wegverkürzung verstärkt ist.

Die DE 101 03 952 A1 gibt eine Vorrichtung zur Energieversorgung, insbesondere eines Sensors, mit einem piezoelektrischen Wandler an, welcher durch einen mechanischen Energiespeicher deformierbar ist und eine entsprechende elektrische Spannung liefert, wider, bei welcher der passive piezoelektrische Wandler durch eine vom Energiespeicher abgegebene Deformationsarbeit biegbar ist, wobei hier der Wandler stabförmig ausgebildet ist und sein eines Stabende gegenüber einem anderen fest gehaltenen Stabende insbesondere in zwei entgegengesetzte Richtungen biegbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verbesserung für ein leitungsfreies energieautarkes Schaltelement zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem leitungsfreien energieautarken Schaltelement mit einem Funksendermodul, im Gehäuse des Schaltelements mit einem Betätigungselement in Baueinheit ein Energiewandler, eine Auswerteschaltung und ein Mikrocontroller angeordnet sind, wobei der Mikrocontroller mit nur einem Reset-Pin und mindestens einem Datenspeicher bestückt ist und dabei nur einen Ein- und einen Ausgang aufweist. Die Startauslösung des Programmablaufes im Mikrocontroller erfolgt durch die infolge der Betätigung des Energiewandlers anliegende Betriebsspannung.

Die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Betätigungsrichtung des Betätigungselements besteht vorzugsweise aus einem Vorwiderstand und einer Z-Diode, wobei in einem Schaltzustand ein Einschaltsignal und im anderen Schaltzustand ein Ausschaltsignal generiert wird und dem Eingang (IN) des Mikrocontrollers zugeführt wird.

Als einer der wesentlichen Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösung ist zu nennen, daß der Energiewandler nicht nur, wie bei den bekannten Produkten, der Energieerzeugung dient, sondern auch zur Schaltsignalgenerierung und zur Statusbestimmung ob das Schaltelement gedrückt oder losgelassen ist.

Von Vorteil ist weiterhin, daß auf Grund der gleichzeitigen Nutzung des Energiewandlers zur Spannungsversorgung und zur Generierung des Schaltsignals auf die Verwendung weiterer mechanischer Taster zur Detektion des Schaltzustandes verzichtet werden kann und damit die den mechanisch betätigten Taster eigenen Nachteile ausgeschlossen werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend an Hand der Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel ersichtlich.
Es zeigen
1: eine Darstellung des Grundprinzips des leitungsfreien Schaltelementes;
2: eine Darstellung des Blockschaltbildes des leitungsfreien Schaltelementes.
Die 1 zeigt eine Darstellung des Grundprinzips des leitungsfreien Schaltelementes.
Für die konstruktive Gestaltung eines leitungsfreien Schaltelements, welches im Innenraum eines Kraftfahrzeuges zum Einsatz kommen soll, wird eine Kombination aus einem Energiewandler 1, vorzugsweise einem Piezowandler, zur autarken Energieversorgung und eine elektromagnetische Signalübertragung im 868 MHz SRD-Band gewählt.
Der über einen Betätigungselement betätigte piezoelektrische Wandler 1 erzeugt bei seinem Betätigen eine bestimmte Energiemenge, welche durch einen Spannungswandler 2 in eine für den Mikrocontroller 3 und für das HF-Modul 4 geeignete Form konvertiert wird. Durch Auswertung der Impulsform der erzeugten Spannung kann der Mikrocontroller 3 bei Bedarf zwischen den Zuständen "Betätigungselement gedrückt" oder "freigegeben" unterscheiden. Damit sind auch Applikationen realisierbar, bei denen die Schaltfunktion von Geräten von der Betätigungsdauer des Betätigungselementes abhängig ist.
Nach erfolgter Betätigung des Betätigungselements und der damit verbundenen Energieversorgung und Erzeugung des Ein- oder Ausschaltsignals generiert der Mikrocontroller 3 ein im Speicher abgelegtes Sendetelegramm mit einem eindeutigen Identifier, und der Ein- oder Ausschaltinformation.
Dieses Sendetelegramm wird anschließend im HF-Modul 4 moduliert und über die Schnittstelle (Antenne) 5 versendet.
Um die Übertragungssicherheit zu erhöhen, besteht die Möglichkeit, das Sendetelegramm mehrmals in sehr kurzen Zeitabständen hintereinander auszusenden.
Die Nutzung des 868 MHz SRD-Bandes zur Datenübertragung bietet einen Vorteil gegenüber anderen zur öffentlichen Nutzung freigegebenen Frequenzbändern. Der Vorteil besteht in einem festgelegten Duty Cycle von 1 %, d.h. bei einer angenommenen Telegram-Übertragungsdauer von ca. 3 bis 4 ms, inklusive 2maliger Wiederholung, kann das Schaltelement pro Stunde bis zu 9000mal betätigt werden.
Durch den Duty Cycle werden gegenseitige Störungen auf ein Minimum reduziert. Auf Grund der sehr kurzen Sendetelegramme können viele Sender in einer Funkzelle betrieben werden, ohne daß die Kollisionswahrscheinlichkeit ansteigt.
Der Einsatz, zum Beispiel, eines 32 Bit Identifiers erlaubt den Empfangsmodulen eine Differenzierung zwischen 2³² Sendern, d.h. 4.295 Milliarden Sender können unterschieden werden. Das bedeutet, daß bei etwa 20 Schaltelementen pro Kraftfahrzeug, über 214 Millionen Fahrzeuge mit leitungsfreien Schaltelementen im selben Frequenzband betrieben werden können.
Den Informationen des Sendetelegramms werden in einem nachgeordneten Steuergerät, das sich außerhalb des erfindungsgemäßen Schaltelements befindet, verschiedene Schaltfunktionen zugeordnet. Möglich sind beispielsweise die Ein-/Ausschaltfunktion oder eine zeitabhängige Schaltfunktion.
Die Realisierung der vorgenannten konstruktiven Lösung eines leitungsfreien Schaltelements für den Innenraum von Kraftfahrzeugen erfolgt nach dem Blockschaltbild gemäß 2.
Durch Drücken des Betätigungselements wird der Piezo-Wandler 1 betätigt und erzeugt einen positiven Impuls, der über eine Gleichrichterschaltung geführt wird. Der nachgeschaltete „Step-down"-Spannungsregler 9 reguliert die Spannung auf eine für den Mikrocontroller 3 und für das HF Modul 4 benötigte Betriebsspannung von 5 Volt und lädt einen Kondensator 8 auf.
Nach Bereitstellung der Betriebsspannung führt der Mikrocontroller 3 einen Hardware-Reset aus und startet das Programm neu.
Der vom Piezo-Wandler 1 erzeugte positive Impuls wird gleichzeitig über eine Spannungsbegrenzung, bestehend aus dem Vorwiderstand 6 und der Diode 7 dem Eingang IN des Mikrocontrollers 3 zugeführt. Durch die Diode 7 ist es möglich, den Ein-/Ausschalt-Status zu erkennen, da bei einem positiven Impuls (Drücken des Betätigungselements) am Eingang IN ein H-Pegel anliegt; bei einem negativen Impuls (Loslassen des Betätigungselements) liegt am Eingang IN L-Pegel an.
Der Mikrocontroller 3 fragt im Programmablauf den Pegel am Eingang IN ab.
Darauf gibt der Mikrocontroller 3 das Sendetelegramm, bestehend aus Identifier und der Ein- oder Ausschaltinformation über den Ausgang OUT an das HF-Modul 4 weiter.
Das HF-Modul 4 moduliert das Sendetelegramm mit einer vorgesehenen ASK-Modulation und sendet es mittels einer Antenne 5 aus.
Beim Loslassen des Betätigungselements erfolgen die vorbeschriebenen Prozesse analog.
Das Programm des Mikrocontrollers 3 muß folgende Programmablaufpunkte enthalten:

• Initialisierung von Ein- und Ausgang, sowie des Reset-Pins;
• Pegelabfrage des Eingangs IN;
• Generierung des Sendetelegramms, bestehend aus einem im Datenspeicher abgelegten 32 Bit Identifier und dem Ein-/Ausschalt-Status;
• Ausgabe des Sendetelegramms an das HF-Modul 4, inklusive einer zweimaligen Wiederholung.

Die Gestaltung der Antenne 5 könnte direkt als Leiterzug auf der Platine erfolgen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist Kosten und Platz einzusparen.

1: Energiewandler
2: Spannungswandler
3: Prozessor
4: HF-Modul
5: Antenne
6: Vorwiderstand
7: Z-Diode
8: Kondensator
9: Spannungsregler
10: Gleichrichter

Claims

Leitungsfreies energieautarkes Schaltelement mit einem Funksendermodul, welches vorzugsweise in einem ISM-Frequenzband arbeitet, dessen benötigte Energie vorzugsweise durch einen Piezo-Energiewandler bereitgestellt wird, der durch eine Betätigung erzeugte, betätigungs (richtungs) abhängige Spannungsimpuls einem an sich bekannten Spannungswandler zugeführt und in eine Gleichspannung umgewandelt wird, die zur Versorgung eines Mikrocontrollers und des Sendemoduls dient, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse des Schaltelements mit einem Betätigungselement in Baueinheit ein Energiewandler, eine Auswerteschaltung und ein Mikrocontroller angeordnet sind, wobei der Mikrocontroller (3) mit nur einem Reset-Pin und mindestens einem Datenspeicher bestückt ist und dabei nur einen Ein- und einen Ausgang aufweist.
Leitungsfreies energieautarkes Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startauslösung des Programmablaufes im Mikrocontroller (3) durch die infolge der Betätigung des Energiewandlers (1) anliegende Betriebsspannung erfolgt.
Leitungsfreies energieautarkes Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zur Ermittlung der Betätigungsrichtung des Betätigungselements z.B./vorzugsweise aus einem Vorwiderstand (6) und einer Z-Diode (7) besteht, wobei in einem Schaltzustand ein Einschaltsignal und im anderen Schaltzustand ein Ausschaltsignal generiert wird und dem Eingang (IN) des Mikrocontrollers (3) zugeführt wird.