低电平、低频率信号测量的制作方法

低电平、低频率信号测量的制作方法
【专利摘要】本发明涉及低电平、低频率信号测量。提供包括用于接收低频率电磁场的至少一根天线的设备。测量电路与至少一根天线连接，用于测量由天线接收到的低频率电磁场信号的强度。存储器存储在测量电路的输出中的噪声的表示。校正器根据在存储器中的噪声表示校正由测量电路提供的测量值。
【专利说明】低电平、低频率信号测量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求通过引用全部合并于此的2013年7月I日提交的标题为“LOWLEVEL, LOW FREQUENCY SIGNAL MEASUREMENT”案号为 61/841，543 的共同未决的美国临时专利申请的优先权和权益。

【技术领域】
[0003]本申请涉及低电平、低频率的电磁信号的测量，并且，将针对这种测量在车辆遥控无钥匙进入和无钥匙启动系统中的使用来进行具体地描述。

【背景技术】
[0004]近年来，用于保护车门和启动车辆的机械锁定系统已经通过电子系统被日益地增强，并且在某些情况下，被电子系统所取代。这样的系统，有时被称为“被动遥控无钥匙进入”和“无钥匙启动”系统，检测由车主携带的电子标签或挂链(fob)的接近，并且，自动地解锁车门并使车辆启动。因此，随着车主接近车辆，门自动地解锁，并且，在进入车辆时，车主可以简单地通过按“启动”按钮来启动发动机。进入车辆或操作车辆不需要机械钥匙。相反地，当车主离开车辆并走开时，车门将自动地锁定，并将禁用启动开关。
[0005]车载系统和挂链之间的交互通过无线电链路无线进行。车辆辐射在挂链进入车辆的附近内时由挂链感测的低频率(“LF”)电磁场。在检测到LF场时，挂链将射频(“RF”)消息发送到车辆。识别码和加密确保挂链和车辆之间的链路是安全的。
[0006]出于安全原因，车门仅仅在挂链非常靠近车辆(通常，在门的一米至两米内)时解锁是重要的。在一些系统中，由于在挂链处的电磁场的强度随着挂链接近车辆而增大，所以从挂链处的LF场的强度确定挂链离车辆的距离。在这种系统中，在挂链处的LF场的强度可以由挂链测量，并且，然后，可以通过RF链路将测得的电场发送回车辆。
[0007]车辆上的无钥匙进入和无钥匙启动系统接收场强测量值，并且，将测得的场强与阈值进行比较，以确定何时解锁车门。美国专利申请2012/0062358描述用于这种普通类型的被动无钥匙进入系统的LF天线。描述的天线具有由多个线圈包围的单芯，从而该天线组合三维(3D) LF天线和RF天线的功能。
[0008]为了提高确定挂链距离的精度，在制造期间测试和校准挂链，从而，实际的LF源距离和测量值输出之间的关系是线性的且没有偏移。由于在适中距离处的场强接近挂链中的模拟-数字转换器的本底噪声，所以，即使通过这种校准，在离车辆的适中的距离处的场强测量也可能是不可靠的。


【发明内容】

[0009]本发明提供包括用于接收低频率电磁场的至少一根天线的装置。测量电路与至少一根天线连接，用于测量由所述天线接收到的低频率电磁场信号的强度。存储器存储在测量电路的输出中的固有噪声的表示。校正器电路根据在存储器中存储的噪声表示校正由测量电路提供的测量值。

【专利附图】

【附图说明】
[0010]本发明所涉及领域的技术人员在参照附图阅读下面的描述时，本发明的前述和其它的特征和优点对于他们来说将变得显而易见，在附图中:
[0011]图1是可以使用包括本发明的挂链的系统的框图；
[0012]图2是在挂链的制造过程期间执行的第一版本校准过程的流程图；
[0013]图3是在挂链的制造过程期间执行的第二版本校准过程的流程图；以及
[0014]图4是在正常操作期间由挂链执行的过程的一部分的流程图。

【具体实施方式】
[0015]参照图1，示出了车辆的无钥匙进入系统10。如下面将描述的，系统10可以实现无钥匙进入功能和/或无钥匙启动功能。本发明将有益地发现诸如此类的系统中的使用，但是，并不限于这种系统中的使用。预料到本发明在必须准确地测量低电平LF场的幅值的各种其它系统中将类似地有用。
[0016]系统10包括与便携式电池操作的挂链14通信的车载控制器12。挂链14较小，并且，将由车辆操作者方便地在他/她的口袋或手、在系索上或在包中等邻近手边地携带。
[0017]车载控制器12具有已知的结构，并且，包括微控制器16，其包括系统时钟发生器、中央处理单元(CPU)、程序存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程定时器、模拟数字和数字模拟转换器、中断控制器、串行接口等。微控制器16操作包括进入控制器18、点火控制器20和其它系统22的各种车辆系统。这些系统被示出为直接由微控制器16通过个体控制线控制，但是，更通常，将通过主体控制模块(未示出)间接地控制这些系统。在使用主体控制模块时，微控制器16将通过车辆通信总线向主体控制模块发送消息，并且，主体控制模块将通过使车辆系统执行命令的动作来对这些消息作出响应。进入控制器18将控制车辆门锁并且可能还控制门致动器(例如，用于侧面板门或后舱盖的致动器)。点火控制器20将响应于微控制器16,并且，响应于车辆的仪表盘上的“启动”按钮(未不出)，以控制车辆发动机的启动和停止。由微控制器16操作的其它系统22通常将包括车辆的喇叭及内部和/或外部灯。
[0018]微控制器16响应于与挂链14交换的无线电通信来操作受控系统18、20和22。出于此目的，车辆控制器12包括用于从挂链14接收例如315MHz的载波频率上的RF消息的全向性RF天线24和RF接收器25以及用于在例如125kHz的频率产生触发挂链14发送RF消息的局域化LF场的方向性LF天线26和LF发射器27。LF天线通常是围绕某一形式缠绕的线圈，其中，该形式经常具有铁氧体磁芯。
[0019]挂链14类似地分别装有RF天线28和LF天线30。挂链14不具有单根LF天线，而是包括三根LF天线32、34和36，其在挂链14内被定向在彼此相互垂直的相应方向X、Y和Z上。LF天线32、34和36通常也是围绕芯缠绕的线圈。为了紧密，LF天线围绕可能也具有铁氧体磁芯的常见形式在不同的方向X、Y和Z上缠绕。这种布置本身是已知的，其中，一个示例在公开的专利申请US2012/0062358 (Nowottnick)中示出。
[0020]因为接收到的LF信号的强度不仅取决于分离接收天线和发射天线的距离，还取决于两根天线的轴的相对对准，所以在挂链14中包括三根LF天线。控制器12被固定到车辆，由此，其朝向是已知的。但是，挂链14的朝向是未知的，并且，将时不时地改变，事实上是逐秒地改变。通过用三轴平方和开方的方法组合三个相互垂直的天线的输出，不管车辆和挂链的相对朝向如何都可以以最佳的强度接收LF信号。
[0021]在图1中示出的示例性实施例中，挂链14包含微控制器38。但是，微控制器的使用仅仅是示例性的，并且，相反，挂链14也可以由其它的控制电路(例如，被配置为状态机的专用集成电路(“ASIC”))来操作。与控制器12的微控制器16 —样，微控制器38包含系统时钟发生器、中央处理单元(CPU)、程序存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可编程定时器、模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)、中断控制器、串行接口等。LF接收器40从三根LF天线30接收信号，并且，向微控制器38供应每一根天线的基带信号。LF基带信号跟踪各根天线接收到的LF信号的幅值。RF发射器42从微控制器38接收消息，用该消息调制RF载波，并且，通过全向性RF天线28发射调制后的RF载波信号。
[0022]虽然在图1中未示出，但是，挂链14可以装有一个或多个手动按钮，车辆操作者可以按压所述按钮来通过由微控制器38合成且由RF发射器42广播的消息来手动地启动某些车辆操作。这种按钮的用途和功能是已知的，并且，这里将不对此进行描述。
[0023]如前所述，控制器12必须确定挂链14的位置，以允许或禁止某些请求的动作，例如，启动车辆或开门。为了实现此，微控制器16借助于LF天线26和LF发射器27在车辆的附近建立LF磁场。LF场将是恒定幅值的连续波信号，以有助于测量LF场强度。但是，将用安全信息(例如，车辆识别码)周期性地对LF场进行调制，以防止无关挂链的假响应。
[0024]当挂链14靠近车辆时，LF天线30响应于LF磁场，并且，该挂链从LF场恢复安全信息。如果，安全码与在挂链中存储的安全信息匹配，则挂链进行测量，并且，发射LF信号幅值信息。LF接收器40将连续波信号的幅值供应到微控制器38内的ADC。如下面更详细地描述的，微控制器38根据存储的对应的偏移和线性化因子来调整从每一根天线得到的幅值信息。微控制器38通过已知的三轴平方和开方的方法来组合三根LF天线的产生的线性化幅值信号，以提供对LF场的幅值的计算的整体量度。微控制器38通过构成例如包括测量值信息的数据报和将数据报转发给RF发射器42以便发射，来将计算出的平方和开方的LF信号强度测量发送回控制器12。将使用本身已知的方法来对数据报进行加密，以便增强安全。
[0025]控制器12通过接收器25接收消息，对数据报进行解密，并且，从消息恢复测得的信号强度信息。控制器12评估测得的信号强度，以确定挂链是否足够靠近车辆以允许门解锁或其它操作。
[0026]由控制器12对LF信号强度进行的评估可以简单至将幅值(从挂链14接收到的)与表示允许门解锁或车辆启动功能所需的最小幅值的存储阈值进行比较。但是，评估也可以更复杂。控制器12可以通过两根或更多根LF天线每一次一根地顺次地建立LF场，在这种情况下，挂链14的实际位置可以使用由挂链返回到控制器12的多个信号强度通过三角形法来确立。
[0027]对于被动进入，典型的范围要求是在1.5至2米的量级。换句话说，当挂链在离车门的该距离内时，进入系统应该打开门。LF场强随着离LF天线的距离的立方下降，因此，随着挂链和车辆之间的分开距离增大，场强显著地减小。在1.5至2米的指定距离处，由LF接收器40提供的LF幅值信号在微控制器38内的ADC的本底噪声附近。当用传统的平方和开方的方法将三个垂直幅值组合时，信号幅值与ADC的本底噪声的接近会在组合成的总信号强度中产生大的误差。
[0028]为了校正当要测得的信号在测量装置的本底噪声附近时在平方和开方的方法中出现的大误差，本发明设想了确定平方和补偿因子(“SSCF”)正好在本底噪声之上。补偿因子将存储在挂链中，并且，被应用于计算出的平方和值。例如，考虑这种情况，其中，信号测量装置的本底噪声在线性化每一个传感器轴之后是.7纳特斯拉(nT)，并且，场的实际的平方和根幅值是InT，仅仅稍微在本底噪声之上。如果测量装置具有一个LF天线轴与正在测量的场完全对准，因为来自另两个轴的信号贡献仅仅是噪声，则计算出的平方和值将是
(1)2+(.7)2+(.7)2 = 1.98。因此，平方和的平方根将是1.4，其表示在InT的场强的实际值之上的40%的误差。
[0029]为了校正该测量噪声误差，在平方和水平的误差(1.98-1 =.98)作为挂链特有的平方和补偿因子被存储在挂链中，并且，随后在进行平方根之前从所有计算出的平方和值减去该误差。因此，从未校正的值1.98中减去了校正因子0.98，给出校正后的平方和值和平方和根值1.0，从而有效地消除了噪声误差。平方和校正因子被应用于所有的信号水平(高和低)，但是，在较高的信号电平处如其应该的，具有小得多的校正效应。例如，在4ηΤ场处，未校正的平方和值将是16+.49+.49 = 16.98。于是，校正后的平方和值将是16.98- 98=16，其平方和的根值是4。
[0030]实践中，在挂链制造过程期间，将计算一次平方和补偿因子。
[0031]已知通过在测试盒中安装挂链并对该挂链施加已知方向和强度的LF信号来校准新制造的挂链的LF幅值测量值。具体地，逐根地与LF天线中的每一根对准地提供变化幅值的LF场。由外部测试仪从挂链取回由ADC对于挂链中的每一根相应的LF天线测得的幅值，其产生线性化且偏移调整的校正值的矩阵。然后，外部测试仪将校正值的矩阵下载到挂链的非易失性存储器中。当随后在场中使用挂链时，在每一个轴中测得的场强用作访问矩阵的索引值并从该矩阵检索线性化且偏移调整的相应的校准值。
[0032]为了实现本平方和补偿因子，上述的校准过程在挂链仍处于测试盒中的情况下通过附加的挂链测试和校准过程来增强。附加的过程可以采用各种形式，其中之一图形地表示在图2的流程图中。
[0033]在图2中示出的版本中，通过在磁静环境中的测量噪声来计算平方和补偿因子。在线性化和偏移调整(步骤200)之后，外部测试场全部被去除，从而，挂链处于没有施加磁场的磁静环境中。然后，外部测试仪从挂链检索每一根LF天线的幅值测量值(步骤202)。由于在此时没有施加磁场，因此检索的测量值将仅仅反映噪声。外部测试仪将从测量值计算出平方和值(步骤204)。然后，将平方和值下载到挂链并存储在非易失性存储器中(步骤206)，该平方和值是对于每一个挂链表示该挂链的平方和补偿因子的单个值。
[0034]LF接收器40将是大规模集成电路内的功能块，并且，将具有用于每一个LF线圈的单独的放大器通道。虽然集成电路中的每一个线圈放大器通道的本底噪声基本上相似，但是，对于不同的集成电路，内部放大器本底噪声将不同。因此，设想对于每一个挂链独立地确定平方和补偿因子。
[0035]虽然描述的实现过程使用外部测试仪取得噪声读数并计算平方和补偿因子，但是，实际上，可以编程挂链中的微控制器以在挂链测试和噪声校准步骤期间完全独自地执行该过程。在这种情况下，在去除所有的外部测试场时，将触发挂链以上面针对外部测试仪描述的相同的方式来计算和存储补偿因子。
[0036]在图3的流程图中图形地示出了计算平方和补偿因子的替换的及目前优选的方法。在图3中示出的版本中，在标称的施加LF场中而不是在没有施加LF场的静环境中确定平方和补偿因子。在线性化和偏移调整(步骤300)之后，与其轴被定向在X方向上的线圈天线32对准地施加已知的InT的外部测试场(步骤302)。然后，计算来自所有的三个线圈的信号的平方的和，以产生平方和值，在无噪声环境中，该平方和值将等于“I” (12+02+02 =I)。由于环境不是无噪声的，所以实际的平方和值将稍微大于“I”。通过从实际的平方和值减去I来确定第一 SSCF值(在图中被表示为SSCFx，因为其是在“X”方向上施加场时得到的)(步骤304)。然后，通过重复步骤302和304但是施加的LF场依次地与另两个线圈天线34和36中的每一个对准来确定第二 SSCF值和第三SSCF值(被表示为SSCFy和SSCFz)(为了方便，示出为单一步骤306)。然后，对三个SSCFn值求平均，以产生最终的SSCF值，如第一版本过程中一样，该SSCF值被下载到挂链并存储在非易失性存储中(步骤310)。
[0037]可以向该过程中添加附加步骤以验证通过对挂链施加各种测试LF场来执行的SSCF校准。
[0038]当随后在场中使用挂链时，在计算平方根之前从测得的平方和值中减去平方和补偿因子，结果是有效地消除了噪声因子。在图4的流程图中图形地表示了由挂链14执行的LF测量过程。为了简单起见，图4的流程图仅仅描绘了与这里描述的LF噪声校正有关的那些步骤。将理解，本身全部已知的很多附加过程和步骤在执行其各种车辆控制功能的过程中由挂链执行。
[0039]如图4所示和前面描述的，挂链首先测量由三根LF天线30中的每一个接收到的LF信号的信号幅值(步骤400)。得到的测量值用作访问在挂链的非易失性存储器中存储的线性化和偏移校正矩阵的索引值，从而提供线性化和偏移校正的测量值(步骤402)。然后，挂链从这些线性化和偏移校正值计算平方和值(步骤404)。然后，从计算出的平方和值减去存储的平方和补偿因子(步骤406)。然后，计算得到的差值的平方根，并且，通过RF将包括测得的LF信号强度的消息发送到车辆控制器12 (步骤408)。连续地重复LF幅值计算和发送步骤。
[0040]车辆控制器12将使用测得的LF信号强度来确定挂链14的位置。将根据确定的挂链的位置来启用或禁用车辆操作。
[0041]已经结合特定的无钥匙进入/被动启动系统描述了本发明，但是，本发明并不限于描述的系统的特定细节。本发明几乎可以用于无钥匙进入和被动启动系统的各种已知的实现方式的任意组合中。例如，本发明可以用于利用双向LF和/或RF链路(而不是所描述的单向链路)的系统中。而且，各种噪声补偿步骤可以在仍实现相同的结果的同时用稍微不同的方式执行。例如，假设用于执行这些步骤的数据(在步骤404中计算出的“平方和”和存储的“平方和补偿因子”)首先被发送到车辆控制器12，可以在车辆控制器12而不是挂链14中执行步骤406和408 (图4)。
[0042]由此描述了用于改进LF信号强度测量的方法和设备。本发明尤其有助于避免如大部分被动无钥匙进入系统中一样在LF信号强度在信号幅值测量装置的本底噪声附近的显著的测量误差。测量噪声成分值并存储在存储器中。为了提供校正过噪声的值，随后，从测得的信号幅值的值减去存储的噪声成分值。在描述的实施例中，通过使用组合其输出以产生总信号幅值水平平方和根的多根天线来计算三维的信号强度。在取得该和的平方根之前，从各个单个信号幅值的平方和中减掉噪声成分值。
[0043]在上面的附图和描述中阐述本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图及权利要求书，本发明的其它的特征、目的和优点将是显而易见的。
【权利要求】
1.一种设备，包括: 至少一根天线，用于接收低频率电磁场； 测量电路，与所述至少一根天线连接，用于测量由所述天线接收到的低频率电磁信号的强度； 存储器，用于存储测量电路的输出中的噪声表不；以及 校正器，用于根据在所述存储器中存储的所述噪声表示来校正由测量电路提供的测量值。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述至少一根天线包括在相互垂直的方向上定向的三根天线，每一根天线提供各自的低频率信号，并且，所述测量电路包括计算器，用于确定由所述三根天线提供的所述各自的低频率信号的平方和。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述校正器根据在存储器中存储的所述噪声表示减小所述平方和，并且，其中进一步的，所述校正器提供与减小的平方和的平方根相对应的补偿信号。
4.一种自包含、电池操作的挂链，用于无线地控制进入车辆，包括: 三根天线，用于接收低频率电磁场，所述三根天线被定向在相对于彼此相互垂直的方向上； 测量电路，与所述三根天线连接，用于测量由所述三根天线接收到的低频率电磁信号的强度； 存储器，用于存储测量电路的输出中的噪声表不；以及 校正器，用于根据在所述存储器中存储的所述噪声表示来校正由测量电路提供的测量值。
5.如权利要求4所述的自包含、电池操作的挂链，其中，所述测量电路包括平方和电路，用于提供与由所述三根天线接收到的信号的平方和相对应的平方和输出，并且，所述校正器根据在所述存储器中存储的所述噪声表示来减小所述平方和输出。
6.如权利要求5所述的自包含、电池操作的挂链，还包括: 根计算器，用于计算由所述校正器提供的校正后的平方和输出的平方根；以及 发射器，用于将得到的校正后的平方和根输出发送到车辆。
7.如权利要求4所述的自包含、电池操作的挂链，其中，所述测量电路对由所述三根天线接收到的低频率电磁信号的所述测得的强度进行线性化和偏移校正。
8.一种用于减小低频率幅值测量中的噪声成分的方法，包括步骤: 确定由一件特定低频率测量设备引入的噪声成分； 存储所述噪声成分； 用所述特定件设备测量低频率信号的幅值；以及 根据存储的噪声成分来调整测量值。
9.一种用于减小噪声成分在低频率信号的幅值测量中的影响的方法，所述低频率信号是包含低频率放大器的车辆进入挂链接收到的，所述方法包括如下步骤: 确定由在所述挂链中包含的特定的所述低频率放大器引入的噪声成分； 在相关的所述挂链中存储所述噪声成分； 在低频率信号的幅值测量中使用所述低频率放大器；以及 根据所存储的噪声成分来调整测量值。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述调整测量值的步骤包括从所述测量值减去所述存储的噪声成分的步骤。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定噪声成分的步骤包括如下步骤: 在多个方向上对所述挂链施加已知强度的低频率信号； 测量在所述挂链处接收到的每一个所述施加的方向上的所述低频率信号的幅值； 从每一个所述测量值减去所施加的低频率信号的已知强度，以产生与在每一个方向上出现的噪声相对应的不同值；以及 根据所述不同值计算所述噪声成分。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定噪声成分的步骤包括如下步骤: 在不存在低频率信号时，测量接收到的低频率信号的幅值；以及 根据所测得的幅值计算所述噪声成分。
【文档编号】H04L9/00GK104282129SQ201410306459
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2013年7月1日
【发明者】D·L·贾斯维克 申请人:Trw汽车美国有限责任公司