DE102005015594A1

DE102005015594A1 - Berührungsloses Zugangssystem und Wegfahrsperre mit unterschiedlichen Frequenzen unter Verwendung derselben Antennenspule

Info

Publication number: DE102005015594A1
Application number: DE102005015594A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hagl; Konstantin Aslanidis
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-06
Also published as: EP1871648B1; WO2006106127A1; US7692529B2; DE102005015594B4; DE602006002817D1; US20060220786A1; EP1871648A1

Abstract

Ein berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge umfasst eine integrierte Eingangsschaltung mit drei batteriebetriebenen Empfangskanälen, die jeweils mit einem zugehörigen externen Antennenkreis mit einer Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich hat, verbunden sind. Die drei Antennen sind in einer dreidimensionalen Konfiguration angeordnet. Ein Wegfahrsperrentransponder wird mit Energie versorgt, die von einem externen Transponderantennenkreis empfangen und in einem Speicherkondensator gespeichert wird. Der Transponderantennenkreis enthält eine Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz in einem Niederfrequenzbereich hat. Der Transponderantennenkreis teilt zumindest ein induktives Bauelement mit dem Antennenkreis eines der drei Empfangskanäle. Ein Kondensator im Transponderantennenkreis wird wahlweise getrennt, um die Resonanzfrequenz von einer Frequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich auf eine Frequenz im Niederfrequenzbereich zu ändern. Dementsprechend hat einer der drei Antennenkreise eine Doppelfunktion. Eine erste Funktion ist die in einem dreidimensionalen analogen Front-End eines berührungslosen Zugangssystems, das im sehr niedrigen Frequenzbereich arbeitet. Eine zweite Funktion ist die in einem Transponder eines Wegfahrsperrensystems, das im deutlich höheren Niederfrequenzbereich arbeitet. Als Folge dessen müssen nur drei Antennenspulen im Schlüssel ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge und ein Verfahren zum Betrieb eines berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssels für Fahrzeuge.

Hochentwickelte tragbare Identifikationsvorrichtungen, zum Beispiel berührungslose Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge haben ein analoges dreidimensionales Front-End (Vorfeldeinrichtung), bei dem es sich um eine integrierte Schaltung (Eingangsschaltung), einschließlich dreier unabhängiger Empfangskanäle, die jeweils dafür vorgesehen sind, mit einem von drei externen in der Vorrichtung enthaltenen Antennenkreisen verbunden zu werden, handelt. Die drei Antennenkreise haben Antennenstrukturen, die physikalisch in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Mit einer solchen Vorrichtung werden Signale von einem Transceiver in einem Fahrzeug unabhängig von der räumlichen Ausrichtung der Vorrichtung erkannt. Typischerweise arbeiten diese Geräte mit einer Frequenz in einem Niederfrequenz- (LF-) Bereich bei ca. 125 kHz oder 135 kHz. Für eine größere Reichweite sind sie batteriebetrieben.

Bei berührungslosen Zugangssystemen haben Probleme mit dem Rauschen zu Vorschlägen für deutlich niedrigere Betriebsfrequenzen, gerade noch über der menschlichen Wahrnehmungsgrenze, d.h. bei ca. 20 kHz, geführt. Es ist möglich, ein analoges dreidimensionales Front-End auf eine derartige sehr niedrige Frequenz umzustellen, jedoch arbeiten existierende Wegfahrsperrenkonzepte immer noch im Niederfrequenz- (LF-) Bereich (bei ca. 125 kHz oder 135 kHz). Mit einem Front-End, das mit einer sehr niedrigen Frequenz (VLF) für die berührungslose Zugangsfunktionalität und mit einer Niederfrequenz (LF) für die Wegfahrsperrenfunktionalität arbeitet, wäre ein vierter Antennenkreis, der auf die Niederfrequenz abgestimmt ist, erforderlich.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verbindung einer berührungslosen Zugangsfunktion, die mit einer sehr niedrigen Frequenz (VLF) arbeitet, und einer Wegfahrsperrenfunktion, die mit einer Niederfrequenz (LF) arbeitet, unter Verwendung von nur drei Antennenkreisen.

Die Erfindung stellt einen berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge bereit, der eine integrierte Eingangsschaltung mit drei batteriebetriebenen Empfangskanälen umfasst, die jeweils mit einem zugehörigen externen Antennenkreis mit einer Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich hat, verbunden sind. Die drei Antennen sind in einer dreidimensionalen Konfiguration angeordnet. Ein Wegfahrsperrentransponder wird mit Energie versorgt, die von einem externen Transponderantennenkreis empfangen und in einem Speicherkondensator gespeichert wird. Der Transponderantennenkreis enthält eine Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz in einem Niederfrequenzbereich hat. Der Transponderantennenkreis teilt zumindest ein induktives Bauelement mit dem Antennenkreis eines der drei Empfangskanäle. Ein Kondensator im Transponderantennenkreis wird wahlweise getrennt, um die Resonanzfrequenz von einer Frequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich auf eine Frequenz im Niederfrequenzbereich zu ändern.

Dementsprechend hat einer der drei Antennenkreise eine Doppelfunktion. Eine erste Funktion ist die in einem dreidimensionalen analogen Front-End eines berührungslosen Zugangssystems, das im sehr niedrigen Frequenzbereich arbeitet. Eine zweite Funktion ist die in einem Transponder eines Wegfahrsperrensystems, das in einem deutlich höheren Niederfrequenzbereich arbeitet. Als Folge dessen müssen nur drei Antennenspulen im Schlüssel implementiert werden.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betrieb des obigen berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssels für Fahrzeuge bereit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– wahlweises Verbinden eines Kondensators mit dem Transponderantennenkreis, um die Resonanzfrequenz von einer Niederfrequenz in eine sehr niedrige Frequenz zu ändern,
– Erkennen einer empfangenen Frequenz im Niederfrequenzbereich, während der wahlweise geschaltete Kondensator mit dem Transponderantennenkreis verbunden ist (und der Antennenkreis somit auf die sehr niedrige Frequenz abgestimmt ist),
– Erkennen einer angelegten Batteriespannung, und
– Trennen des Kondensators vom Transponderantennenkreis, um die Resonanzfrequenz von der sehr niedrigen Frequenz auf die Niederfrequenz zu ändern, wenn keine ausreichende Batteriespannung erkannt wird, oder wenn eine empfangene Frequenz im Niederfrequenzbereich erkannt wird.

Das Verfahren ermöglicht einen normalen Wegfahrsperren-Transpondermodus, wenn die Batterie schwach ist, oder wenn ein Signal im Niederfrequenzbereich von einer Wegfahrsperren-Transceivereinheit eines Fahrzeugs empfangen wird. In einem solchen Transpondermodus wird die Energie zum Betrieb des Transponders durch Gleichrichtung eines empfangenen Signals erhalten, und die Energie wird in einem Kondensator gespeichert. Durch automatisches Umschalten der Resonanzfrequenz des Antennenkreises auf den höheren Frequenzbereich bei Bedarf wird die im Transpondermodus verfügbare Energie optimiert.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 ein schematisches Blockdiagramm eines berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrensystems, das einen Schlüssel als tragbare Identifikationsvorrichtung verwendet;
2 ein Blockdiagramm eines Front-Ends in einem Schlüssel zur Verwendung im System gemäß 1;
3 eine Tabelle, die logische Entscheidungen zusammenfasst, die die Resonanzfrequenz eines der drei Antennenkreise in 2 festlegt; und
4 verschiedene Betriebsarten des berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrensystems.
Das berührungslose Zugangs- und Wegfahrsperrensystem in 1 besteht aus einem Interrogator 10, der in einem Fahrzeug installiert ist, und einer tragbaren Identifikationsvorrichtung oder Schlüssel 12. Der Interrogator 10 enthält eine Steuereinheit 10a, einen Transceiver 10b und einen Ultrahochfrequenz-(UHF)Empfänger 10c. Der Schlüssel 12 enthält einen Mikrocontroller 12a, der mit einer Anzahl von externen Befehlsschaltern S verbunden ist, ein analoges Front-End 12b und einen UHF-Sender 12c. Das Front-End 12b enthält drei unabhängige Kanäle, die jeweils mit einem von drei Antennenkreisen verbunden sind, die 90° zueinander, d.h. dreidimensional, ausgerichtet sind. Die drei Antennenkreise des Schlüssels 12 können über eine kurze Entfernung mit dem Transceiver 10b des Interrogators 10 durch einen einzelnen Antennenkreis induktiv gekoppelt werden. Der Interrogator 10 und der Schlüssel 12 haben jeweils eine UHF-Antenne und sind somit auch über UHF gekoppelt. Energie zum Betrieb des Schlüssels 12 wird von einer Batterie BAT geliefert.
Für den berührungslosen Zugang ermöglicht die induktive Kopplung zwischen dem Interrogator 10 und dem Schlüssel 12 einen Datenaustausch durch Senden von Signalen von dem Interrogator 10 zu dem Schlüssel 12 in einem sehr niedrigen Frequenz-(VLF-)Bereich, der gerade über der menschlichen Wahrrnehmungsgrenze, typischerweise 20 kHz, liegt, und durch Senden von Signalen im UHF-Bereich von dem Schlüssel 12 zu dem Interrogator 10.
Unter Bezugnahme auf 2 enthält Front-End 12b drei Empfangskanäle 14, 16, 18, die jeweils einen Regelverstärker („Automatic Gain Control", AGC) und einen ASK-Demodulator-(ASK = „Amplitude Shift Keying", Amplitudenmodulation zur binären Datenübertragung) enthalten. Kanal 14 enthält zusätzlich einen 125-kHz-Detektor. Kanäle 14, 16 und 18 werden von der Batterie BAT versorgt, und jeder Kanal hat einen Ausgang, der mit Logikschaltung 20 verbunden ist, deren Ausgang mit Mikrocontroller 12a (1) verbunden ist. Kanal 14 hat einen Eingangsanschluss RF1, an den ein Antennenkreis, der Antennenspule LR1 und einen parallelen Kondensator CR1 umfasst, angeschlossen ist. Kanal 16 hat einen Eingangsanschluss RF2, an den ein Antennenkreis, der Antennenspule LR2 und einen parallelen Kondensator CR2 umfasst, angeschlossen ist. Kanal 18 hat einen Eingangsanschluss RF3, an den ein Antennenkreis, der Antennenspule LR3 und einen parallelen Kondensator CR3 umfasst, angeschlossen ist. In dem Beispiel haben die Antennenspulen LR1, LR2 und LR3 die gleiche Induktivität. Die Kondensatoren CR2 und CR3 sind für eine Resonanzfrequenz im VLF-Bereich, z.B. 20 kHz, ausgelegt. Kondensator CR1 ist für eine Resonanzfrequenz in einem Niederfrequenzbereich (LF) ausgelegt. „Niederfrequenz" (LF), wie hier verwendet, bedeutet eine Frequenz in einem Bereich von ca. 125 kHz oder 135 kHz. Ein anderer Kondensator CR hat eine erste Elektrode, die mit dem Eingangsanschluss RF1 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der durch einen Schalter SW wahlweise mit Masse GND verbunden wird. Ein Ladekondensator CL ist zwischen Masse GND und einem Anschluss VCL geschaltet, an dem alle drei Antennenkreise mit einem Ende angeschlossen sind, das dem Ende gegenüberliegt, das mit einem entsprechenden Eingang des Front-Ends 12 verbunden ist. Front-End 12 ist eine integrierte CMOS-Schaltung (Eingangsschaltung), die eine interne Diode, die Substratdiode, enthält, die als Gleichrichter für ein LF-Signal am Anschluss VCL agiert. Da der Ladekondensator CL eine viel größere Kapazität als der Kondensator CR hat, ist letzterer gewissermaßen parallel mit Kondensator CR1 geschaltet, wenn Schalter SW geschlossen ist. Wenn beide Kondensatoren CR1 und CR parallel zu LR1 sind, dann ist die Resonanzfrequenz im VLF-Bereich und hat denselben Wert wie für die zwei anderen Antennenkreise.
Dementsprechend arbeitet Kanal 14, während Kanäle 16 und 18 mit einer VLF-Frequenz arbeiten, mit derselben Frequenz, wenn Schalter SW geschlossen ist, und mit einer LF-Frequenz, wenn Schalter SW offen ist. Für die Wegfahrsperrenfunktionalität enthält das Front-End 12b einen Wegfahrsperrentransponder 22, der einen Eingang hat, der mit Anschluss RF1 verbunden ist, und einen Versorgungseingang, der mit Anschluss VCL verbunden ist. Vom Transceiver 10b im LF-Bereich übertragene Signale werden durch Kanal 14 nicht nur zum Zweck der Wegfahrsperrenfunktionalität empfangen, sondern auch zum Zweck der Energieversorgung, durch Ladung des Kondensators CL, wodurch ein batterieloser Betrieb des Wegfahrsperrentransponders 22 im LF-Bereich ermöglicht wird.
Das Front-End 12b enthält ferner einen Batteriespannungsdetektor 24 mit einem Eingang, der mit Anschluss VBAT, an dem Batterie BAT angeschlossen ist, verbunden ist, und einem Ausgang, der ein Anzeigesignal VBAT_OK liefert, wenn ein Spannungspegel, der für Batterieversorgung ausreicht, erkannt wird.
Der 125kHz-Detektor in Kanal 14 hat einen Eingang, der mit dem Knoten zwischen dem AGC-Verstärker und dem ASK-Demodulator verbunden ist, und einen Ausgang, der ein Anzeigesignal Immo liefert, sobald ein 125-kHz-Signal erkannt wird.
Der Schalter SW wird durch den Ausgang F_SEL eines UND-Gatters 26 gesteuert, das einen invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang Immo des 125-kHz-Detektors in Kanal 14 verbunden ist, und einen nicht invertierenden Eingang hat, der mit dem Ausgang VBAT_OK des Batteriespannungsdetektors 26 verbunden ist. Die sich ergebenden Resonanzfrequenzen des Antennenkreises, an dem Kanal 14 angeschlossen ist, werden in der Tabelle gemäß 3 zusammengefasst und im Zustandsdiagramm gemäß 4 veranschaulicht.
Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, beträgt die Resonanzfrequenz immer 125 kHz, wann immer die Batteriespannung niedrig ist. In diesem Zustand wird die Wegfahrsperrenfunktionalität durch den Wegfahrsperrentransponder 22 sichergestellt, der mit der Ladung aus dem Kondensator CL versorgt wird. Mit einer ausreichenden Batteriespannung und keinem erkannten 125-kHz-Signal beträgt die Frequenz 20 kHz, und Kanal 14 arbeitet wie Kanäle 16 und 18 in einer dreidimensionalen (3D) Konfiguration für eine berührungslose Zugangsfunktionalität. Sobald ein 125-kHz-Signal erkannt wird, beträgt die Frequenz unabhängig vom Batteriepegel 125 kHz, wodurch der Wegfahrsperrenfunktion Vorrang über die berührungslose Zugangsfunktion gegeben wird.
Letzterer Zustand ist in 4 als „Transponder-Modus" veranschaulicht, in den das System entweder aus einem „Aus-Modus" durch Erkennen einer Zunahme der Spannung an dem Anschluss VCL oder aus einem „Abtast-Modus" („Sampling-Modus") durch Erkennen eines 125-kHz-Signals übergehen kann. In den Aus-Modus tritt das System nur ein, wenn eine niedrige Batteriespannung erkannt wird. Wenn eine ausreichende Batteriespannung erkannt wird, tritt das System in einen „Bereitschafts-Modus" (Standby-Modus) ein. Vom Bereitschafts-Modus tritt das System in Reaktion auf ein Signal „MODDETECT = 1" in den Abtast-Modus ein, und das System kehrt in Reaktion auf ein Signal „MODDETECT = 0" in den Bereitschafts-Modus zurück. Vom Abtast-Modus tritt das System in Reaktion auf ein Aufwecksignal „WAKE = 1" in einen aktiven Modus ein, und der aktive Modus wird nach einem Rückstell- oder Überwachungssignal verlassen, um in den Bereitschafts-Modus überzugehen.
Während das offenbarte Ausführungsbeispiel nur einen Kanal (Kanal 14) mit einem LF-Detektor und einem Antennenschaltkreis, der zwischen der Niederfrequenz (LF) und der sehr niedrigen Frequenz (VLF) umgeschaltet wird, aufweist, könnten andere Ausführungsbeispiele zwei oder sogar alle drei Kanäle mit vergleichbaren Eigenschaften aufweisen.

Claims

Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge, umfassend eine integrierte Eingangsschaltung mit drei batteriebetriebenen Empfangskanälen, die jeweils mit einem zugehörigen externen Antennenkreis mit einer Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich hat, verbunden sind, wobei die drei Antennen in einer dreidimensionalen Konfiguration angeordnet sind, und wobei zumindest ein Wegfahrsperrentransponder mit Energie versorgt wird, die von einem externen Transponderantennenkreis empfangen und in einem Speicherkondensator gespeichert wird, wobei der Transponderantennenkreis eine Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität enthält, die eine Resonanzfrequenz in einem Niederfrequenzbereich hat; bei dem der Transponderantennenkreis zumindest ein induktives Bauelement mit dem Antennenkreis eines der drei Empfangskanäle teilt, und ein Kondensator im Transponderantennenkreis wahlweise getrennt wird, um die Resonanzfrequenz von einer Frequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich auf eine Frequenz im Niederfrequenzbereich zu ändern.
Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel gemäß Anspruch 1, bei dem der wahlweise getrennte Kondensator parallel mit einem permanent verbundenen Kondensator des Transponderantennenkreises geschaltet wird.
Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der eine Empfangskanal einen Frequenzdetektor enthält, der eine empfangene Frequenz in einem Niederfrequenzbereich erkennt, selbst wenn der wahlweise getrennte Kondensator mit dem Transponderantennenkreis verbunden ist, wobei der Frequenzdetektor ein Erkennungssignal liefert, sobald ein Niederfrequenzsignal erkannt wird.
Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen Batteriespannungsdetektor enthält, der eine angelegte Batteriespannung erkennt und ein Erkennungssignal liefert, sobald ein ausreichender Batteriespannungspegel erkannt wird.
Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel gemäß Anspruch 3 und Anspruch 4, bei dem die Erkennungssignale des Frequenzdetektors und des Batteriespannungsdetektors durch Logikschaltungen verknüpft werden, um ein Steuersignal für einen Schalter zu liefern, der den wahlweise getrennten Kondensator im Transponderantennenkreis trennt.
Berührungsloser Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Mehrzahl von Transponderkreisen, von denen jeder einen Antennenkreis hat, der ein induktives Bauelement mit einem Antennenkreis eines anderen der drei Empfangskanäle teilt.
Verfahren zum Betrieb eines berührungslosen Zugangs- und Wegfahrsperrenschlüssel für Fahrzeuge, wobei der Schlüssel eine integrierte Eingangsschaltung mit drei batteriebetriebenen Empfangskanälen umfasst, die jeweils mit einem zugehörigen externen Antennenkreis mit einer Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität, die eine Resonanzfrequenz im sehr niedrigen Frequenzbereich hat, verbunden sind, wobei die drei Antennen in einer dreidimensionalen Konfiguration angeordnet sind, und wobei der Schlüssel ferner einen Wegfahrsperrentransponder umfasst, der mit Energie versorgt wird, die von einem externen Transponderantennenkreis empfangen und in einem Speicherkondensator gespeichert wird, wobei der Transponderantennenkreis eine Verknüpfung aus Induktivität und Kapazität enthält, die eine Resonanzfrequenz in einem Niederfrequenzbereich hat; bei dem sich der Transponderantennenkreis zumindest ein induktives Bauelement mit dem Antennenkreis eines der drei Empfangskanäle teilt, umfassend die folgenden Schritte: – wahlweises Verbinden eines Kondensators mit dem Transponderantennenkreis, um die Resonanzfrequenz von einer Niederfrequenz in eine sehr niedrige Frequenz zu ändern, – Erkennen einer empfangenen Frequenz im Niederfrequenzbereich, während der wahlweise geschaltete Kondensator mit dem Transponderantennenkreis verbunden ist, – Erkennen einer angelegten Batteriespannung, und – Trennen des Kondensators vom Transponderantennenkreis, um die Resonanzfrequenz von der sehr niedrigen Frequenz auf die Niederfrequenz zu ändern, wenn keine ausreichende Batteriespannung erkannt wird, oder wenn eine empfangene Frequenz im Niederfrequenzbereich erkannt wird.