计数参考系中一物体的旋转的设备及控制该设备的方法

专利名称：计数参考系中一物体的旋转的设备及控制该设备的方法
技术领域：
本发明涉及参考系中 一物体的旋转的计数设备及控制该设备的方法。
技术背景我们知道，例如4艮据文件US3353487，通过在物体上放置一个磁 场传感器(包括例如一个绕组)计数地球磁场中该物体的旋转的原理， 该传感器因此生成一个交变信号，其交流半周(交变)的数量代表物 体的旋转数量。在文件US3353487中，此原理,皮用于测量抛射体经过的距离。此后，该原理曾被运用到其他领域，其中计数轮胎的旋转数，以 便例如监测它的磨损状态。这一在轮胎上的运用例如被描述在文件DE 101 17 920中。在此类应用中，应该把磁传感器放置在自主设备内部，当我们希 望了解在某一特定时刻设备所计数的圏数时可远距离查询。为此目的，前述文件DE 101 17 920建议当接近传感器的磁铁时 应可手动启动一个数据交换过程。该文件甚至考虑以低速率利用频率编码(20赫兹或30赫兹编码 的例子被提及)或振幅编码向自主设备发送数据信号。但是这些解决方案显得难以施行，因为当物体在地球磁场中独自 旋转时所述数据信号必然有可能与传感器测得的磁场变量相混淆。这很可能就是人们在数据传送领域中更经常使用电磁波的原因， 电磁波通常是在射频频带内(例如参看文件US 6 543 279)，甚至是 在微波范围内(例如参看文件US 5562 787 )。 发明内容在此情况下，本发明提供用于计数参考系中物体的旋转的设备， 其中与物体相连接的磁传感器测量与参考系相对应的场以便生成物体旋转频率的测量信号，其特征在于传感器还构成一个电磁波接收天线。 因此构成天线的传感器既可以测量磁场又可以接收射频信号，例如一个设备控制器的唤醒信息和/或把计数获得的信息发送到一个外部设备的触发信息。构成天线的传感器例如是由线圏构成，即包括一匝或数匝的线圏。这一解决方式在实践上非常实用。构成天线的传感器例如与射频信号的接收装置耦合。我们因而把第一滤波装置放置在构成天线的传感器和接收装置之间，例如以便于限制向接收装置为此而传送的唯一有用信号。为此目的，第一滤波装置可在实际中呈现一个相对于它们接收阻抗更高的传感器测量频率阻抗。因此避免了接收装置中测量信号的干扰。构成天线的传感器同样可以与测量信号中交流半周的计数装置耦合。我们因而可以把第二滤波装置放置在构成天线的传感器和计数 装置之间，尤其是为了限制向计数装置传送唯一测量信号。为此目的，第二滤波装置可在实际中呈现一个相对于它们的测量 阻抗更高的天线接收频率阻抗。因此避免在计数装置中射频信号的干扰。该设备可包括根据传感器的测量信号获得的数字信息的发送装 置，该数字信息例如是与 一个测量信号中交流半周数量直接或间接相 关联的信息。一个外部设备因此可远距离存取物体完成的旋转的数量。 发送装置例如被设置成当接收天线接收到触发信息时发送所述数 字信息，这构成一个在计数设备和外部设备间进行有利对话的解决方 案。本发明同样提供一种控制用于计数一物体在参考系中的旋转的设备的方法，其特征在于以下各步骤- 利用与所述物体连接的磁传感器接收所述物体旋转频率的测量信号；- 确定在所述测量信号中交流半周的数量；- 利用被用作电磁天线的磁传感器接收射频触发信号；- 发送表示所述交流半周数量的信息。本发明的其他特征将根据随后参考附图的描述更好地体现出来。


其中- 图1示出根据本发明的计数设备的总图；- 图2示出根据本发明的计数设备电路实例的第一部分；- 图3示出图2中示出的一部分电路的总频率特性；- 图4示出详示于图2中的实例的第二部分。
具体实施方式
图l示出根据本发明的设想实现的计数一物体在参考系中的旋转 的设备的基本元件。其涉及到例如一个装入轮胎的自主设备，其目的在于计数轮胎完 成的旋转圏数以便掌握其磨损状态指标。图1中示出的计数设备包括一个磁传感器2，它实际上由一个线圏构成的，换而言之是由一匝或数匝构成的导体线圏。传感器2生成的信号一部分经过一个低频滤波器4 (下文被称为 BF滤波器)随后如有必要则经过一个信号成形电路被传送到一个计数 器8，而另一部分经过一个如下文详细描述的高频滤波器6被传送到 一个微控制器10的接收端子。BF滤波器4被设计成从磁传感器2向计数器8只传送表示需测
量的运动的信号(这里换而言之是由磁传感器2在地球磁场中旋转生 成的、物体旋转频率的信号)。为此，BF滤波器4具有一个超出对应于测量信号的频率范围的 高阻抗。例如，在此处提到的测量一个轮胎的旋转的情况下，鉴于车辆车 轮的通常旋转速度，因在地球磁场中旋转而生成的信号具有在1赫兹 到几十赫兹之间变化的频率。因此在此情况下，预计BF滤波器4的高阻抗从超过100Hz的频 率，如lkHz开始。计数器8将在下文中详细描述，其功能在于计数由磁传感器2在 地球磁场中旋转生成的信号中的交流半周数量，即由BF滤波器4传 送的信号中的交流半周数量。计数器8自其从BF滤波器4处接收的信号中扣除例如一个预定 交流半周数量(例如4096个交流半周)，随后当达到该预定数量时向 一个微控制器10传送一个溢出(d印assement)信息，并重新扣除此 预定交流半周数量。微控制器10在每次收到溢出信息时使内部寄存器增量并因此存 储收到的溢出信息的累计数量，其因此表示BF滤波器4发出的信号 中的交流半周数量(约相差一个乘法系数)。因此容易存取在地球磁场中计数设备的旋转数量(且用同样的方 法得到与之连接的磁传感器2的旋转数量)。就此方面我们可以参考专利WO2004/110793,其同样描述上文 提及的某些方面。如前所述，线圏2另外还被连接到一个高频滤波器6 (下文被称 为HF滤波器)。该HF滤波器被设计成具有用于测量它的有用信号 (即被BF滤波器4从线圏2传送到计数器8的信号)频率范围内的 高阻抗(这里是用于计数旋转)，以便HF滤波器6从线圏2向孩吏控 制器10的接收端子只传送高于给定频率(例如lkHz以上)的频率的 信号，或在其下限对应于该给定频率的一个频带内的频率的信号。 BF滤波器4和HF滤波器6具有不同的通频带(例如1kHz的两 侧)，这可以，自线圏2，仅向计数器8传送在第一频带中的信号而 仅向微控制器10的接收端子传送在第二频带中的信号。在第二频带中(这里位于lkHz以上，例如在50kHz左右的几千 赫兹通频带，例如5kHz，其对应于过压系数IO)，线圏2如同一个 电磁天线一样工作。因此可以在微控制器10的接收端子处接收线圏2接收的并经过 HF滤波器6的射频信号。我们因此可以利用电磁波(例如在上述例子中50kHz的载波) 通过远程通信向计数设备(换而言之实际上是向其微控制器10)传送 信息。这尤其是一个由外部设备(尤为典型的是车辆的一个电子系统设 备或其它轮胎磨损状况监视设备)传送的唤醒信息；这种唤醒信息指 示计数设备(实际上是微控制器10)应该发送一个如下所述的表示累 计的测量运动的信息(换而言之完成的旋转数量)。为此，图1的计数设备还包括一个与微控制器10电连接的发送 器12和一个发送天线14，发送天线例如也是以导体线圏的形式实现。因此，当微控制器10借助于执行电磁接收天线功能，但必要时 在其功能的其他阶段，的线圏2收到一个唤醒信息时，它将待发送信 息(诸如收到的累计数量的溢出信息，其如前指出的表示轮胎完成的 旋转数量)传送给发送器12。发送器12则将这些信息(例如被其收到的二进制串形式的信息) 转换成待由发送天线14以电磁波形式，例如在发送载频(其在此处描 述的实现方式中相当于433.92MHz)上，发送的电信号。简而言之，微处理器IO接收线圏2生成的、在线圏2被用作磁 传感器时的频率的测量信息(测量信息由计数器8处理)，以及接收 线圏2接收到的、在线圏2被用作电磁天线时的频率的接收信息。BF滤波器4和HF滤波器6的使用可以限制信号的传送，即限 制其分别向计数器和微处理器10的接收端子的传送，在每一情况下信
号都在其唯一的有用频率范围内，换而言之分别是信号或测量信息出现的频率(通常低于100Hz)和射频信号的接收频率，即典型地是在 10kHz和lMHz之间。由于这一结构，线圏2同时扮演磁传感器和电磁天线的角色，尽 管如此只要这不对电路运行造成问题(诸如可能发生的两功能间的干 扰问题)。我们现在将详细描述根据本发明的计数设备的一种可能的实现 方式，其中的主要元件已经参照图l加以描述。图2表示该计数设备的第一部分电路，其中特别包括图1中的 线圏2， BF滤波器4和HF滤波器6。如下文所述，图2表示的第一 部分电路可以实现除刚才提到的功能外的其他功能，且特别是成形如 图l描述的测量信号。线圏2被用一个电感L1表示在图2中的电接线图上。线圏2由几千臣的线圏(例如1000至10 000匝，这里3000匝) 实现，每一匝具有约10mi^的表面积并由绝缘铜线制成，这给予其几 十毫亨的电感。我们因此得到一个约几dii^的，甚至几十dn^的等效 表面积(例如包括在1 dm2和1 m2之间)。有利的是，这些匝线圏可被缠绕在一个具有强磁导率的磁芯上， 这可以得到对应于等效表面积数倍的改善灵敏度，其倍增系数例如包 括在1至10之间，这里是系数6。线圏2的尺寸调整可以使其在低频构成一个灵敏度1Hz约 1V/Tesla(特斯拉)的磁传感器，它因此在其于地球磁场中旋转时在端 子处生成一个lHz约5(HiV的电压(为后者取一个特征值50^iT)。线團2的尺寸调整同样可以使其，由于它相当于约40pF的寄生 电容C寄生，构成一个在其谐振频率/^丄VZT^T,这里约是100kHz，附近尤为敏感的电磁天线。如在图2中所见，线圏2(被表示为电感L1)的端子第一部分被 连接到组成一个具有9Hz截止频率的低通滤波器Fl的串联的电阻Rl 和电容C1组合。该低通滤波器F1已经使唯一的测量信号向下文描述
的电子电路的远级的传送，即便其他滤波器会如下文解释的那样加强 这一效果。事实上，在此处被考虑的测量载重车车轮(其最大速度约30m/s 并且传感器经历的圆周约3m)旋转数量的应用中，测量的信号低于 固z。经低通滤波器Fl滤波以后，信号(在电容器Cl的端子上)被 应用到一个例如包括一个放大器A、 一个带通滤波器F和一个比较器 Ul的成形级上。放大器例如可以具有为100的增益。从表示已被描述的全部元件的频率特性的图3可见，与电感L1、 低通滤波器Fl和成形级的组合的总频率响应RFG主要位于0.9Hz和 9Hz之间，其构成待测信号的特征频率范围。(这些频率，对于载重 车来说，对应于约10km/h至100km/h之间的速度。)我们还注意到该总频率响应RFG在此频率范围上基本是平的， 这大大简化被生成信号输出的后续处理。在如上所述的处理之后，传送的信号被放大器A放大并被带通滤 波器F施加到比较器U1上，该放大器实现一个检测由线圏2因其在 地球磁场中旋转而生成的信号的交流半周的功能。此比较器Ul因此 生成对应于线圏2生成信号的每个交流半周的计数脉冲。上文所述电路(尤其是放大器A )可以在带通滤波器Fl的输出 处生成一个触发比较器信号；它因此提供一个逻辑信号，例如具有3V 振幅，与数字电路兼容。线圏2(在图2中的电路上被表示为电感Ll)的端子在第二部分 上与用于降低线圏2 (如上所见它具有一个约100kHz的固有谐振频 率)的谐振频率至大约50kHz的电容器C2 (例如100pF)相连。电 容器C2的使用同样可以把总谐振频率稳定在该值50kHz上，线圏2谐振频率^值。、 z '、 、-、 "电感Ll-电容器C2组合的端子上的信号借助于电容器C3被传送 到晶体管T上，该电容器C3仅允许向晶体管T传送高于预定值的频 率的信号。因此，电容器C3此处构成一个具有低于50kHz的截止频 率的高通滤波器，并构成图1中的HF滤波器。因此，当线團端子的高频(这里是50kHz)信号峰值振幅超过 0.6V (由于由在此频率的总谐振生成的增益)时，晶体管T变成导通 且其发射极-集电极电压从3V变为OV，这构成一个如下所述被传送至 微控制器10的唤醒信息。该计数设备由一个电池供电，例如一个释放3V VCC电压可在参 考BR1632A下找到的电池。该计数设备的第二部分电路被表示在图4上。比较器Ul (经过低通滤波器滤波及线圏2的信号处理之后)发 送出的逻辑信号形式的计数信息被提供给一个分压器电路U2的时钟 输入端子(C7A:),该电路例如用HC.MOS技术实现，例如电路 74HC4040。我们使用例如该分压器的输出端Q12，在时钟输入端接收计数的 212上升沿(或下降沿)，即总共4096个沿(其代表车辆车轮的4096 圏)之后，在该输出端上产生一个状态变更。由输出端Q12输出的信号(上文被称为溢出信息)被施加到微 控制器IO (图4中标号为MC1)的一个端子GPO上，其引起如已经 解释过的微控制器的唤醒及其内部寄存器的增量，该寄存器用于记录 接收到的累计溢出数量。当线圏2构成的天线接收到50kHz的信号并将它通过由电容器 C3构成的高通滤波器(或HF滤波器)传送给晶体管T时，微控制 器10 (或图4中的MC1，例如一个由MICROCHIP />司生产的 PIC12C509 )在第二端子GP1上接收晶体管T形成的唤醒信息。如上文已经作的通常解释，当接收到该唤醒脉冲，微控制器MC1 在第三端子GP4上发送一待发送的信息，例如是根据曼彻斯特 (Manchester)编码的编码帧形式，它尤其包括如上指出的、#1记录在 微控制器10的内部寄存器中的接收到的溢出信息累积数量。该帧(或待发送信息)如已指出的那样被提供给发送器的输入， 该发送器例如一个商务发送器AUREL; TX-SAW l.A, RF解决方 案AM画TXl-433，或QUASAR: A.M,QAMT2。刚刚描述过的实现方式，尤其是标出的数值，仅构成实现本发明 的一个可能实例。
权利要求
1.一种在参考系中一物体的旋转的计数设备，其中与所述物体相连的磁传感器(2)测量与参考系相关联的场，以便生成在物体旋转频率的测量信号，其特征在于所述传感器(2)还构成电磁波接收天线。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述构成天线的 传感器是由线圏(2)实现的。
3. 根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述构成天 线的传感器(2)与射频信号的接收装置(10)耦合连接。
4. 根据权利要求3所述的设备，其特征在于第一滤波装置(6 ) 被放置在所述构成天线的传感器(2)和所述接收装置(10)之间。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述第一滤波装 置(6)具有比其接收阻抗高的传感器(2)测量频率阻抗。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于所 述构成天线的传感器(2)与用于计数测量信号中的交流半周的计数装 置(8， 10)耦合连接。
7. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于第二滤波装置(4 ) 被放置在所述构成天线的传感器(2 )和所述计数装置(8， 10 )之间。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述第二滤波装 置(4)具有比其测量阻抗高的天线(2)接收频率阻抗。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于它 包括用于发送根据传感器(2 )的测量信号获得的数字信息的发送装置(10， 12)。
10. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述发送装置 (10， 12)被设置成当接收天线(2)接收到触发信息时发送所述数字信息。
11. 一种控制在参考系中一物体的旋转的计数设备的方法，其 特征在于以下各步骤- 利用与所述物体连接的磁传感器(2 )接收所述物体旋转频率 的测量信号；- 确定在所述测量信号中交流半周的数量；- 利用被用作电磁天线的磁传感器接收射频触发信号；- 发送表示所述交流半周数量的信息。
全文摘要
本发明涉及在参考系中一物体的旋转的计数设备，其中与物体相连的磁传感器(2)测量与参考系相关联的场以便生成在物体旋转频率的测量信号。传感器还构成一个电磁波接收天线(2)。本发明同样提供控制计数设备的方法。
文档编号G08C17/04GK101213583SQ200680023711
公开日2008年7月2日 申请日期2006年6月29日 优先权日2005年7月1日
发明者弗兰克·维尔, 马克·博兰格 申请人:原子能委员会