电子通信系统

本发明总体涉及电子电路及其物理布线设计技术领域。

本发明特别涉及一种如独立权利要求前序部分所声称的、用于行 进运动装置的电子通信系统。

文献WO 00/15931 A1中公开了一种上述类型的电子通信系统。

然而，该通信系统局限在其应用领域内，其原本被设计用于无需 钥匙来锁住或打开门的行进运动装置。与此相关联的是，文献WO 00/15931 A1中已知的主题仅允许在基站和数据载体之间进行数据和 信号的交换，所述的数据载体例如可以设计成卡的形式。

然而，因为现在迅速增长的需求集中在汽车内的某些部件的功能 和可靠性上，因此文献WO 00/15931 A1中提出的解决方案似乎不能再 让人完全满意。

从上面描述的不足和缺点出发并在大体上了解现有技术的基础 上，本发明的一个目的在于开发一种上面提及的电子通信系统，从而 使得这种通信系统的潜在应用也能够延伸到行进运动装置的其它重要 的应用领域。

具有权利要求1中给出的特征的电子通信系统能够实现上述目 的。从属权利要求以本发明有利的细微差别和有益的改进为特征。

根据本发明的教导，基站和指定给行进运动装置的至少一个车轮 或轮胎上的传感器单元之间的通信通过电容的方式实现；在这种情况 下传感器单元用于监测和/或确定车轮或轮胎的至少一个特性参数，例 如车轮或轮胎的气压和/或温度和/或磨损情况。接着，采用信号技术 将监测或确定的数据以电容的方式与基站交换。

因此，本发明与传统配置不同，在传统配置中，为了在基站和位 于车轮上或轮胎中的相关传感器之间建立通信，通常采用一种基于感 应原理的结构，这种结构作为现有技术的描述如图1所示。

在现有技术的这种感应耦合中，标记为基站B(具有超高频UHF 接收器B.1、微控制器B.2和低频LF发射器B.3)的设备带有各自的 感应天线B.4.1、B.4.2、B.4.3和B.4.4，这些感应天线设计成线圈 状(具有相关联的多路复用器或具有四个相关联的发射器B.4)，所述 基站B为各传感器电路S(具有有效的低频LF接收器S.1、微控制器 S.2和用于超高频UHF接收器B.1的“UHF响应”的超高频UHF发射器 S.3)的预先选定的激活(被称为“感应觉醒1，2，3，4”)初始化一 种通信序列；因此，传感器电子装置的激活在至少一个感应通道上被 实现。

然而，由于本系统，这种感应数据传输类型具有一些问题和风险， 这是因为发射天线和接收天线之间的磁场被车轮或轮胎的轮缘在不适 宜的方向上被屏蔽；尽管在基站上和/或传感器上采用多个线圈能够在 某些情况下避免这种不希望的屏蔽，然而这种技术手段自然是高成本 的。

此外，在感应耦合中，已经证明金属的电磁感应带来的问题在于 感应通信系统临近的金属会导致场特性的电磁感应，并因此可能导致 位于无法通信的位置。在这种连接中，位于发射线圈附近的金属部分 和位于接收线圈附近的金属部分也会导致谐振电路的失谐，这反过来 带来辐射场的减弱以及接收器侧谐振电路中电压的降低。

最后，在基站和传感器单元感应耦合的情况下，由于导电轮胎橡 胶使用的增加，磁场可能会被涡流衰减，其结果在于在一些情况下， 同样会发生通信问题。

根据本发明，现提出一种电容耦合原理用于在基站和传感器单元 之间通信，与先前已知的感应耦合原理相比能够获得多项优点：

由于感应耦合要在基站和传感器电子装置上布置很多线圈，而这 些线圈在电容耦合中可以省去，其结果在于节省了很大的成本。除了 布置(铁氧体)线圈，基于电容方式的耦合还可能在基站的电子装置 和位于车轮上或轮胎内的传感器的电子装置方面做出更多的节省，其 结果在于进一步降低了成本。

在本发明中，其优点还表现在，以经济的电极实施方式的可能性 使其应用在大规模生产中能够获益；总体上，发射器电极(＝基站的 耦合电极)和接收器电极(＝传感器单元的耦合电极)的机械布置方 式在这种情况下可随意选择。

电极布置可以简单的机械结构实际实施，其中电容耦合电极能够 以非常简单的方式与各车辆平台的条件相机械匹配，并且比起那些在 感应通信中所需的机械和热敏感的(铁氧体)线圈来，其在机械方面 设计得更稳定。

用于行进运动装置的通信电子技术领域的技术人员，例如在机动 车辆电子领域具有广博知识的电子工程师，参考本发明将能够认同由 于耦合电容几乎是恒定的，甚至在车轮或轮胎转动的时候也是如此， 因此通信条件不再如在感应传感解决方案中那样依赖于位置。这种性 质允许即使行进运动装置在大于每小时200公里的高速下运动也能够 进行可靠的通信。

与感应耦合相比，上面提及的最后一个方面至少不仅在主动安全 中，而且在被动安全中都赢得了很多益处，本发明使得上述益处变为 可能；这种额外的可靠性在行进运动装置的车轮和轮胎方面具有很高 的价值；然而，在高速下爆裂的车轮或轮胎可能导致例如具有严重伤 害和/或致命后果的交通事故。

根据本发明的特别有利的细节，载体站，特别是载体站的耦合电 极能够在空间上分配给行进运动装置的车轮或轮胎的阀和/或与行进 运动装置的车轮或轮胎的轮缘电隔离；因此，传感器单元的耦合电极 能够位于车轮或车胎上。

在例如现代车胎的钢带部分地被非导电的加强体代替和/或未闭 合的框架条件下，这种细节是有用的，因此这种钢带在某些情况下能 够并不总是被用作“辅助电极”。

由于操作的原因(例如使装配简单并能有效维护)和/或成本原 因，可以证明对于耦合电极(被称为“接收器电极”)和载体站(被称 为传感器单元或“标签”)使其能够结合在一个模块中是有益处的；换 句话说，这意味着载体站和耦合电极能够被设计为一个部件和/或成为 一个模块。

在这种连接中，出于其它事项和实验室研究结果的考虑，可以证 明将载体站和/或耦合电极连接或熔接在车轮或轮胎的阀上是有益 的，也就是说，载体站和/或耦合电极可以以机械的方式与车轮或轮胎 的阀连成一体，因此阀、耦合电极以及可能还包括载体站(＝传感器 单元)形成一个部件。

与上面给出的优选细节有关的现有技术包括很多关于将轮胎传感 器电路的天线连接到轮胎阀体上的有建设性的提示，例如：

-来自文件DE 1048195

(用于监控轮胎压力的控制件可以被安装在阀上，将一个触点与 轮缘相连并且以电容的方式耦合到车体上的相应电极上)，

-来自文件US 3249916

(阀轴包括压力指示器)，

-来自文件JP 11-180117

(与监视轮胎压力的轮胎阀组合的组件，其中阀轴也承载有线圈 状的天线，该天线螺纹连接在阀轴的外部；该组件包括一个压力传感 器、一个信号处理电路和一个电池)或

-来自文件JP 2000-052726

(与监视轮胎压力的轮胎阀组合的组件，其中阀轴也用作天线； 该组件包括一个微处理器和一个电池)，

这些方式具有很多优点，其中例如，将耦合电极(被称为“接收 器电极”)和载体站(被称为传感器单元或“标签”)结合在一个模块 中使得装配和维护变得相当容易。

此外，将耦合电极简单地机械结合在现有的阀中也是可能的，其 中所提出的细节可以既用在钢隔层轮胎中又用在无金属轮胎中。以经 济的方式制造电极的可能性使得该方法在大批量生产中获益。

根据作为本发明基础的电子通信系统的实施例，其可以带有

-具有双向电容数据传输的双向电容连接，或

-具有超高频UHF响应的单向电容连接。

包括至少一个上述类型的基站和至少一个上述类型的传感器单元 的本发明能够以有利的方式应用在行进运动装置中，特别是机动车辆 中，其中采用了传感器，这些传感器位于车轮或轮胎内。为了获得必 要的电池使用寿命，这些传感器仅周期性地执行测量并且被分配给车 辆侧的特定车轮或轮胎上。

因此，传感器以可选择的方式被寻址或以合适的方式被唤醒(被 称为“唤醒”)。为了达到这一目的，基站为各传感器电路预先可选择 的激活初始化了通信序列，根据本发明其中传感器电子装置的激活在 至少一个电容传输通道上实现。

本配置方式能够以有利的方式使用的典型传感器有，例如，

-车轮压力传感器或轮胎压力传感器，

-车轮温度传感器或轮胎温度传感器，或

-车轮磨损传感器或轮胎磨损传感器；

本发明还涉及使用至少一个电容耦合的使用以在至少一个基站和 至少一个车轮或轮胎之间进行数据通信。

上面已经解释了以电容为基础的电子通信系统的优点，此时应当 指出，除了上面讨论过的文件WO 00/15931 A1外，文件WO 96/36134 A1也披露了一种无线系统，该系统包括一个发射器和一个接收器，然 而这里的发射器和接收器通过使用者和房间的接地电压相耦合。发射 器生成低能量的低频信号，该信号通过电容耦合作为位移电流流经使 用者的身体。房间的分布的接地电压作为电流的返回路径。

此外，应当注意文件EP 0843425 A2披露了一种电子通信装置， 该装置使用人体作为传输媒介。这种传统的通信装置用于加密和从发 射器向接收器传输数据，所述发射器最好设计成卡，所述接收器最好 被包括在基站中。

文件EP 0843425 A2中的发射器包括用于产生电场的发生器、由 电场的调制激活的数据加密装置和用于使电场耦合通过人体的电极。 文件EP 0843425 A2中的接收器包括电极，该电极与人体的一部分物 理接触或靠近，以便探测通过人体传输的电场。

接收器内的解调器解析从调制的电场提取数据。还应当声明的 是，接收器电极可以布置在机动车辆的金属门把手中。当授权卡(也 就是经授权的发射器)持有者用他的手接触门把手时，门自动解锁。 接触门把手一段时间而不拉开门，例如这段时间为十五秒，会使所有 的门都解锁。

如上面所解释的，有各种用以改进和发展本发明的教导的可能 性。为了这一目的，一方面，参考以权利要求1为核心的权利要求书， 另一方面，将参考附图所示的实施例对本发明进一步描述，但是，本 发明并不仅仅局限在这些实施例中。

图1示意性地显示了根据现有技术的一个实施例的、基于感应耦 合、在基站和以位于轮胎内或车轮上的传感器为形式的相关传感器单 元之间的通信原理；

图2示意性地显示了在基于电容耦合、在基站和以位于轮胎内(图 3)和车轮上(图4)的传感器为形式的相关的传感器单元之间的通信 原理的情况下，根据本发明的电容数据传输的电路图；

图3示意性地显示了根据本发明第一机械设计实施例的图2的通 信原理；

图4以部分透视图的方式显示了根据本发明第二机械设计实施例 的图2的通信原理。

图2-4中，相同或类似的布置、元件或特征采用相同的附图标记。

如在图2中大体示意的，和在图3中以第一机械设计实施例为基 础显示的，以及在图4中以第二机械设计实施例为基础显示的那样， 本发明的基本思路是在电子通信系统100(参见图3)或100’(参见图 4)中有利地采用电容传输通道以在基站10和载体站60之间进行数据 传输，而不是采用如图1中所示现有技术中的感应数据传输方式。

在这种情况下，载体站以本发明的基本方式设计为分布在车轮或 轮胎90上的传感器单元60，该载体站用于监测和控制车轮或轮胎90 的特征参数，即车轮或轮胎90的气压、温度以及磨损情况。

为了达到这一目的，在设计作为发射器电极的基站10的耦合电极 12和设计作为接收器电极的传感器单元60的耦合电极62之间形成电 容连接50；这种用于传输数据信号的电容连接象征性地由与耦合电容 器相当的耦合路径50显示在图2中，并由耦合电容器50显示在图3 中，所述耦合电容器50代表耦合路径，并由基站10的耦合电极12和 传感器单元60的耦合电极62形成。

图2还大体显示了用于图3中第一实施例和图4中第二实施例的 基站10和传感器单元60的电路设计，这种电路设计用于从基站10向 传感器单元60单向传输数据。

在该实施例中，分配给基站10的数据信号处理电路20包括可选 择地带有一个屏蔽物32的电感22、电容24和调制器形式的激励电路 26；这些元件22、24和26彼此串联。基站10的耦合电极12连接到 电感22和电容24之间的连接点28上，基站10的接地电极14连接到 电容24和激励电路26之间的连接点30上。

以一种类似的方式，分配给传感器单元60、特别在这种情况下分 配给轮缘94上的数据信号处理电路70包括谐振电路，该电路包括电 感72和电容74，以及调制器形式的激励电路76。该调制器76用于解 调接收到的数据信号并对其进行处理。电感72和电容74形成与调制 器76并连的谐振电路。传感器单元60的耦合电极62还连接到位于电 感72、电容74和调制器76之间的连接点78上。传感器单元60的接 地电极64连接到位于电感72、电容74和调制器76之间的另一个连接 点80上。

下面将参考图3解释基站10的接地电极14、基站10的耦合电极 12、传感器单元60的耦合电极62和传感器单元60的接地电极64通 过电容连接50和电阻或电容这样的电学连接52(＝分配给基站10) 和54(分配给传感器单元60)的精确耦合。

在图3中第一实施例的真实系统中，在设计作为发射器电极的基 站10的耦合电极12和车轮或轮胎90外壳92的钢质加强部之间，以 及在该钢质加强部和设计作为接收器电极的传感器单元60的耦合电极 62之间具有电场。电路通过电学或同样的电容耦合连接在基站10的电 子线路和传感器单元60的电子线路之间(车轮或轮胎90的护轮板40 和轮缘94之间的金属部分，在该部分中护轮板40和轮缘94可选择地 相互电学连接)。

在这种情况下，车辆侧的基站10和位于轮胎内(图3)或车轮上 (图4)传感器60之间的耦合详见如下：

电容发射器10的一个电极与护轮板40内的发射器电极12电学连 接。该发射器电极12与车轮或轮胎90内的钢质加强部电容耦合。这 依次又与传感器60的接收器电极62电学或电容连接。在传感器60中 存在与第二传感器电极64的电学连接。

该第二传感器电极64依次与轮缘94电学或电容连接。轮缘94与 车辆底盘电学(通过车轮轴承)或电容连接。车辆底盘依次电学连接 在基站的第二电极上。因此形成一个部分通过传导电流而部分通过电 容位移电流传递的闭合电路。

关于上面以举例的方式简述的电子通信系统100，特别值得注意的 是，甚至当护轮板40内的发射器电极12与车轮或轮胎90的钢质加强 部相距约两米远时，该电容通信系统100依然能够实现其功能；考虑 到该距离在实际情况中仅约20厘米的事实，所提出原则的性能至少因 为以下事实而创造记录，因为该电场强度以电极距离的平方而减弱， 所以十倍的电极距离(从20厘米到两米)导致可得到的电场减弱约100 倍。

采用这种电容连接50，现在就可以例如通过自由可选择的协议激 活特定车轮或轮胎90的传感器电子装置，并由此触发测量操作。从传 感器单元60到基站10的传输返回通道可以设计成电容方式或采用其 它任何传输通道；在后者的情况中，例如，从基站10到传感器单元60 的单向电容连接可以利用由传感器单元60监测或确定的车轮或轮胎 参数值对基站10的超高频UHF响应而实现。

图4中电容通信系统100’的第二实施例的真实系统特别涉及车轮 或轮胎电极(也就是载体站60的耦合电极62)的结构布置，用于实现 基站10和车轮单个或多个传感器(也就是说传感器单元60)之间的电 容通信。

因此，图4的第二实施例与图3的第一实施例不同之处在于，传 感器单元60的耦合电极62位于车轮或轮胎90上而不是车轮或轮胎90 内。

关于图3第一实施例的这种变化的其中一个原因在于，可以形成 一种框架状态，在某些情况下，现代轮胎90的钢带在某些程度上被不 导电的加强件部分代替和/或未闭合，从而使得这样一种钢带在某种程 度上不总是被用作“辅助电极”。

为了实用原因(如使装配简单以及有效地进行保养)和/或成本原 因，可以证明如图4中所示的第二实施例那样，将耦合电极62(被称 为“接收器电极”)和载体站60(被称为传感器单元或“标签”)结合 在一个模块中是有利的。

在这种连接方式下，为了考虑其它事项和实验室研究结果，在图4 所示的第二实施例中，耦合电极62熔合在车轮或轮胎90的阀96上， 也就是说耦合电极62与车轮或轮胎90的阀体96机械地连成一体。

如在图2电路图中以及在图3第一实施例中所示的那样，耦合电 极62以电学或电容的方式连接在传感器单元60的电子线路上。此外， 该电容耦合电极62与轮缘即地面绝缘。

传感器单元60通过其第二接线端连接在轮缘(即接地)上，也就 是说通过其接地电极64或图4中的电容方式，如图2电路图中和图3 第一实施例中所示。

图4所示的第二实施例具有多项优点，其中例如，耦合电极62(被 称为“接收器电极”)和载体站60(被称为传感器单元或“标签”)结 合在一个模块中使得装配和维护变得非常方便。

此外，在图4所示的第二实施例中，耦合电极简单地机械结合在 已有的阀96中也是可能的，此时所公开的实施例可以采用钢隔层轮胎 或无金属轮胎。以经济的成本制造电极62和64的可能性使得大规模 的生产得利于该方法。

为了避免与图4所示第二实施例的布置、元件、特征和/或优点有 关的不必要的重复，在上文有关图4中电容通信系统100’的第二实施 例中没有给出相应的解释，可以参考与图3中电子通信系统100的第 一实施例有关的相应解释；除非在图4所示的第二实施例中另有说明， 这些图3所示的第一实施例的布置、元件、特征和/或优点同样清楚地 赋予与图4中电子通信系统100’的第二实施例有关的说明主题。

最后，对于显示在图2到4中的本发明的两个实施例，应当指出， 例如通过在每种情况下将分配给基站10的激励电路26和分配给传感 器单元60的激励电路76设计成一种结合的调制器/解调器单元，本发 明的这两个实施例也允许具有双向电容数据传输功能的双向电容连 接。

如果电容通信是双向的，那么耦合电极62可以因此被设计为接收 器电极和/或发射器电极。

附图标记列表

100    电子通信系统

(根据图3的第一实施例)

100’      电子通信系统

(根据图4的第二实施例)

10     基站

12     基站10的耦合电极

14     基站10的接地电极

20     基站10的处理电路

22     处理电路20的电感

24     处理电路20的电容

26     处理电路20的激励电路，特别是调制器

28     电感22和电容24之间的连接点

30     电容24和激励电路26之间的连接点

32     电感22的屏蔽物

40     护轮板

50     基站10和传感器单元60之间的第一耦合路径，特别是由 基站10的耦合电极12和传感器单元60的耦合电极62形成的耦合电 容

52     基站10和传感器单元60之间的第二耦合路径，特别是由 基站10的接地电极14和接地电压形成的耦合电容

54     基站10和传感器单元60之间的第三耦合路径，特别是由 传感器单元60的接地电极64和接地电压形成的耦合电容

60     载体站＝传感器单元

62     传感器单元60的耦合电极

64     传感器单元60的接地电极

70     传感器单元60的处理电路

72     处理电路70的电感

74     处理电路70的电容

76     处理电路70的激励电路，特别是调制器

78     电感72、电容74和激励电路76之间的第一连接点

80    电感72、电容74和激励电路76之间的第二连接点

90    车轮或轮胎

92    车轮或轮胎90的外壳

94    车轮或轮胎90的轮缘

96    车轮或轮胎的阀